AbstractCarbon materials used as an electrode for aqueous supercapacitors should be synthesized with a porous structure and hydrophilic properties to facilitate the adsorption and desorption of electrolyte ions for charge storage. To enlarge the specific surface area, the porous morphology should contain micropores (diameter < 2 nm). Mesopores (diameter: 2 – 50 nm) should also be present for facile ionic transport. Hydrophilic carbon can be achieved by introducing hydrophilic functional groups on the surface. Here, hydrophilic porous carbon was synthesized by mixing a polyvinylidene chloride (PVDC) resin precursor with copper oxide (CuO) and tetrahydrofuran (THF), followed by heat treatment at 750°C. CuO acted as a template during the heat treatment, creating large mesopores. The generated HCl from PVDC combined with CuO to form CuCl2, contributing to the micropore formation. THF played a role in introducing hydrophilic functional groups on the carbon surface, to promote the adsorption of aqueous electrolyte ions. The activated carbon synthesized using CuO and THF exhibited a specific capacitance of 90 F g-1 at a scan rate of 5 mV s-1 in 0.5 M K2SO4 electrolyte. The synthesized activated carbon demonstrated excellent rate capability, retaining 82% of its capacitance at 10 times faster charging rate (50 vs. 5 mV s-1).
1. 서 론슈퍼커패시터는 물리적 흡·탈착을 통해 전기적 에너지를 저장하는 장치로 전극과 전해질 계면에서 전하가 분리되어 생성된 전기 이중층으로 전하를 저장한다[1-3]. 전해질에 존재하는 이온들이 전극 표면에 흡착하는 저장 메커니즘에 의하여 전극의 비표면적이 넓을수록 더 높은 용량을 가진다. 이러한 에너지 저장 메커니즘은 슈퍼커패시터를 배터리에 비해 긴 수명 및 높은 전력 밀도의 특성을 갖게 하여 고출력용 에너지 저장 장치로 사용된다[4-6]. 슈퍼커패시터 전극으로 일반적으로 사용되는 활성탄 소재는 다공성 형상 덕분에 넓은 비표면적을 가지며 다른 탄소 동소체에 비하여 비교적 낮은 비용으로 제조 가능하므로 주로 활용 되고 있다[7].
활성화 탄소를 합성하는 일반적인 방법은 탄소 원소를 포함하는 전구체를 기공 형성을 위한 활성화제와 혼합하여 고온에서 열처리하는 것이다[8,9]. 고온 열처리시 활성화제는 다양한 크기의 기공을 형성하는데 기여하며, 특히 표면에 생성된 마이크로 크기의 기공(micropore; 지름 < 2 nm)은 전극의 전체 비표면적을 넓히는데 유리하다[10]. 그러나, 이러한 작은 크기의 기공은 전해질 이온이 전극 내부로의 원활한 접근을 제한하여 빠른 충·방전 조건에서 용량을 크게 감소시킬 수 있다[11-13]. 따라서 수계 슈퍼커패시터용 전극을 위한 활성탄은 전해질과의 높은 젖음성을 위해 친수성 성질을 갖는 표면 관능기를 가져야 한다[14]. 또한, 이온의 원활한 이동을 위한 메조 기공 (mesopore; 2 nm < 지름 < 50 nm) 및 매크로 기공 (macropore; 지름 > 50 nm)과 같은 큰 기공들이 마이크로 기공과 함께 존재해야 한다[13,15].
활성탄을 제조하기 위해 사용되는 일반적인 전구체들은 다양한 바이오매스 (biomass)와 유기화합물들이 있다. 최근 탄소 전구체로 활발하게 연구되는 polyvinylidene chlorideresin, Polyvinylidene fluoride와 같은 폴리머 물질의 경우 탄화 과정에서 각각 HCl과 HF가 빠져나가면서 다량의 마이크로 기공을 형성하여 비표면적이 크게 상승하는 특징이 있다[8,16-20]. 이러한 폴리머 전구체의 탄화 시 화학적 활성화제나 템플릿 소재들을 첨가하면 더 많은 양의 기공과 함께 다양한 크기의 기공 형성을 유도할 수 있다[21,22]. 슈퍼커패시터 전극의 고속 충·방전을 위해서는 앞서 언급한 것처럼 탄소 전극소재에 큰 메조 또는 매크로 기공을 유도하여 전해질 이온이 전극 내부로의 출입을 용이하게 하여야 한다[13]. 큰 비표면적을 효과적으로 형성하는 화학적 활성화 방법으로 KOH에 의한 활성화가 주로 사용되며 이 과정에서 마이크로 기공이 주로 형성된다[23,24]. 무수히 많은 마이크로 기공의 생성은 활성탄 내 마이크로 기공의 비율을 증가시키고 그에 따라 메조 기공의 비율은 상대적으로 감소시킨다[25]. 메조 기공의 비율을 높이기 위해서 템플릿 소재를 첨가하여 열처리하면 높은 비표면적과 메조 기공의 형성을 유도할 것으로 기대가 된다[13,21,25].
고온 열처리되어 합성된 탄소 전극은 무극성의 특성을 가져 소수성을 띈다. 따라서 탄소 소재가 전극으로 사용되었을 때 전극 표면에 수계 전해질이 젖지 못하게 한다. 전극의 소수성은 전해질 이온의 흡·탈착을 방해하므로 전하 저장 성능을 떨어뜨릴 수 있다[26-29]. 따라서, 합성된 탄소 표면에 친수성 관능기를 형성하여 전해질 이온의 흡착을 향상시킬 필요가 있다. 친수성 탄소를 합성하는 다양한 방법 중 활성화제의 화학적 반응으로 친수성 작용기를 유도할 수 있다[30,31]. 즉, 친수성 작용기 형성을 위해 활성화제로 N, B, O, S, P와 같은 이종 원소가 포함된 화합물 또는 유기화합물의 화학적 활성화제를 사용하여 친수성 작용기를 탄소에 형성할 수 있다[30,32,33].
본 연구에서는 PVDC-resin을 전구체로 사용하고 CuO를 활성화제이자 템플릿 소재로 활용하여 고온 열처리를 통해 슈퍼커패시터용 마이크로 기공과 메조 기공으로 구성된 다공성 탄소 전극을 합성하고자 하였다. 더욱이 고온 열처리 과정에서 화학적 활성화제와 함께 tetrahydrofuran (THF)을 첨가하여 극성의 carboxylic acid 관능기를 탄소 표면에 형성시켜 친수성 특성을 유도하고자 하였다. 활성화 탄소 합성에서 CuO 전구체의 사용과 THF 용매의 사용이 슈퍼커패시터 전극으로서 합성된 활성탄의 전기화학적 성능에 어떠한 영향을 미치는지 활성탄 소재의 물리화학적 분석과 활성탄 전극의 전기화학 성능 평가를 통해서 밝히고자 하였다. 활성탄 합성과정에서 사용된 활성화제의 영향에 대한 분석을 통해 슈퍼커패시터 전극으로서 높은 율속 특성을 갖는 활성탄을 개발하였다.
2. 실험 방법2.1 재료 합성친수성 다공성 탄소 합성을 위한 전구체로 polyvinylidene chloride (PVDC)-resin (F216, Asahi Kasei)을 사용하였다. 고상의 copper oxide (CuO; 98% purity, SAMCHUN)는 화학적 활성화제로 사용하였고 액상의 tetrahydrofuran (THF; 99.8% purity, SAMCHUN)는 탄소 표면에 친수성 작용기 생성을 위한 용매로서 활용하였다. CuO는 PVDCresin의 열처리시 발생하는 HCl과 결합하여 CuCl2을 형성할 수 있다. 형성된 CuCl2는 화학적 활성화제로 작용하여 합성된 탄소에 마이크로 기공을 형성할 수 있으므로 CuO를 활성화제로 사용하였다[34]. 먼저, 비커에 PVDC-resin 1.5 g과 THF 3 mL를 첨가한 후, 용매가 증발하지 않도록 밀봉하여 1시간 동안 교반하였다. PVDC-resin과 CuO의 질량 비율이 1 : 2가 되도록 CuO 3 g을 첨가한 후, THF 2 mL을 추가하였다. PVDC-resin와 CuO 사이 반응이 일어날 수 있도록 30 min 동안 혼합물을 교반 시킨 후 12시간 동안 25°C에서 용매를 전부 증발시켰다. 용매가 제거된 혼합물은 수평형 튜브로 (horizontal tube furnace)에서 300 cm3 min-1 유량의 N2를 흘려주며, 5 °C min-1의 승온 속도로 750 °C에서 2시간 동안 열처리하였다. 열처리 후 생성된 화합물 내 Cu와 CuO 및 그 외의 불순물을 제거하기 위해 2 M HCl (35% ~ 37%, SAMCHUN) 용액 200 mL와 혼합하여 24시간 동안 교반하였다. 그 후 감압 여과하며 초순수 (18 MΩ·cm)로 세척하여 활성화 탄소를 수거한 후 진공 오븐 (OV-11, JEIO TECH, Korea)에서 80 °C로 12시간 동안 건조하였다. CuO와 THF로 처리되어 합성된 탄소는 PC-C-T로 명명하였다. 탄소 합성시 THF용매의 역할을 살펴보기 위하여, 대조군으로 용매 없이 CuO로만 처리한 탄소를 합성하였고, 합성과정은 THF의 추가를 제외하고는 위의 동일하게 진행하였다. 합성된 샘플은 PC-C로 명명하였다. CuO와 THF 모두 사용하지 않고 PVDC-resin의 열분해만으로 합성된 탄소는 PC로 명명되었다.
2.2 재료 특성합성된 탄소의 표면 형상 및 기공은 field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, SU8220, Hitachi, Japan)을 이용하여 분석하였다. 고진공 가스 흡착 분석기(Autosorb iQ-XR/AG, Quantachrome Instruments, USA)를 이용하여 비표면적 및 기공 크기를 정량적으로 분석을 하였다. 분석 전, 탄소 표면에 흡착된 수분과 불순물 제거를 위해 300 °C에서 3시간 열처리하였다. N2 기체의 흡·탈착 곡선으로부터 Brumauer-Emmett-Teller (BET) 이론에 기반하여 비표면적을 계산하였다. N2 등온곡선으로부터 quenched solid density functional theory (QSDFT) 방법으로 기공의 크기 별 분포(pore size distribution)를 계산하였다. t-plot method를 이용해 마이크로 기공(micropore)의 면적과 외부 기공 (mesopore, macropore)의 면적을 측정하였으며, 전체 기공 볼륨은 P/P0=0.99에서 N2 흡착량으로부터 계산하였다.
탄소 표면의 친수성 분석을 위하여 합성된 탄소를 펠렛 (pellet) 형태로 제작 후 극성 용매인 물방울을 떨어트려 접촉각 측정기 (DSA100, KRUSS, Germany)를 이용해 분석하였다. 접촉각 실험용 펠렛은 활성화 탄소와 Polytetrafluoroethylene (PTFE) (≥ 350 μm, Sigma Aldrich) 바인더, carbon black (Ketjenblack EC-600JD, Lion) 도전재를 85:10:5의 질량비로 혼합하여 제작하였다. 합성된 탄소의 친수성 작용기는 Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR, Frontier, PerkinElmer, USA)을 사용하여 분석하였다. 분말 샘플을 감쇠 전반사 분석법 (attenuated total reflection) 을 통해 4000-500 cm-1의 범위의 파수에서 측정하였다.
2.3 전극 제작 및 전기화학 분석전기화학 분석을 위한 작동 전극은 합성된 활성탄과 Polytetrafluoroethylene (PTFE) (≥ 350 μm, Sigma Aldrich) 바인더와 carbon black (Ketjenblack 600JD, Lion Corp., Japan) 도전재를 85:10:5 질량비로 마노유발을 사용하여 혼합하여 준비되었다. 혼합된 전극물질 약 3mg을 니켈 메쉬기판 위에 유압프레스 (hydraulic press)를 이용하여 20 MPa로 압착하여 작동전극을 준비하였다. 합성된 전극의 전기 화학적 특성은 비커 형태의 삼 전극 셀 (three-electrode system) 구성으로 측정되었다. 수계 전해질로 0.5 M K2SO4를 사용하였고, 백금 선과 saturated calomel electrode (SCE)를 각각 상대전극과 기준전극으로 사용하였다. 수계 전해질 0.5 M K2SO4을 제조하기 위하여 초순수에(18MΩ·cm) K2SO4 (99.0%, Alfa Aesar)염을 용해시켜 준비하였습니다. 전기화학 분석은 potentiostat (VMP3, Bio-logic, France)를 사용하여 cyclic voltammetry (CV)와 electrochemical impedance spectroscopy (EIS)를 측정하였다. 측정 전압은 수계 중성 전해질인 0.5 M K2SO4가 분해되지 않는 -0.2 – 0.8 V의 범위에서 수행하였다. EIS 측정은 개방회로 전압에서 5 mV 진폭의 사인 파형을 0.1 Hz - 1000 kHz 주파수 범위에서 전극/전해질 계면에서의 반응 및 저항을 분석하였다.
3. 결과 및 고찰활성화 처리된 탄소의 전체 표면적과 기공 크기 별 분포를 정량적으로 분석하기 위하여 N2 기체의 흡·탈착량을 분석하였다 (그림 1). PVDC-resin만으로부터 합성된 PC 샘플의 비표면적은 954 m2 g-1 이었으며, 생성된 기공의 87%는 마이크로 기공이고 13%는 외부 기공으로 마이크로 기공이 주로 생성되었다 (표 1). 그에 반하여, CuO를 첨가하여 합성된 PC-C 샘플은 외부 기공(메조 기공, 매크로 기공)이 37%의 비율로 PC 샘플에 비해 외부 기공의 비율이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 전체 비표면적도 상승하였다 (그림 1(a)). 즉, CuO와 탄소 전구체 사이의 고온 화학 작용으로 마이크로 기공뿐만 아니라 큰 크기의 기공(메조 기공, 매크로 기공) 생성 비율이 증가하였다는 것을 알 수 있다 (표 1, 그림 1(b)).
생성된 CuCl2는 화학적 활성화제로 작용하여 마이크로 기공을 형성할 것으로 기대된다[36,37]. 탄화 과정에서 HCl과 반응하지 못하고 남은 CuO를 제거하여 큰 기공 (메조, 매크로 기공)을 형성하기 위해 수용액 HCl로 세척하였다. 전구체를 CuO로 처리한 경우 비표면적이 약 2배 상승하였다. 한편, THF를 CuO와 함께 처리한 경우에도 비표면적 상승은 거의 비슷하여, THF가 비표면적 향상에 큰 영향을 주지 않는 것을 확인하였다 (표 1). PC-C-T의 등온 흡착 그래프에서는 흡착과 탈착 그래프 사이의 hysteresis가 발견되며, 이는 전형적인 메조기공 고체(mesoporous solid)의 등온 흡착 곡선(Type IV) 형태이다. CuO의 첨가로 PC-C 및 PC-C-T 샘플의 메조 및 매크로 기공이 증가함으로써 이온의 이동통로가 형성되어 높은 전류밀도에서 PC 샘플에 비해 높은 율속 특성을 보일 것으로 예상된다.
합성된 탄소 표면 형상은 FE-SEM으로 측정하였다 (그림 2). PVDC-resin만 탄화시킨 PC 샘플은 FE-SEM 상에서 기공이 관찰되지 않고 매끈한 표면이 관찰되었다 (그림 2(a)). PC는 큰 기공이 형성되지 않는 반면, PVDC-resin에 CuO를 첨가한 PC-C는 CuO가 템플릿 작용을 하여 큰 크기의 기공이 형성되었다 (그림 2(b)). PVDC-resin을 CuO 및 THF와 혼합하여 열처리된 PC-C-T 샘플의 경우, 작은 입자가 형성되었으며 표면에 다수의 기공이 관측되었다 (그림 2(c)). 이를 통해 CuO가 템플릿 역할로 작용하여 porous한 표면을 형성하는 것을 확인할 수 있었다.
활성화 탄소 제조 시 첨가된 THF에 의한 표면 작용기 생성을 FT-IR 분석으로 정성적으로 평가하였다(그림 3(a)). 합성된 세 가지 샘플 모두에서 동일하게 3400 cm-1, 1600 cm-1, 1050 cm-1 위치의 피크가 나타났다. 3400 cm-1 에서의 피크는 OH (hydroxyl group)의 stretching vibration에 해당하며 샘플에 carboxylic acid 또는 흡착된 물이 존재한다는 것을 의미한다. 1600 cm-1와 1200 cm-1에서의 피크는 각각 C=O와 C-O의 stretching vibration에 해당한다. PC와 PC-C 샘플과 비교하여 THF를 첨가하여 합성한 PCC-T샘플은 3400 cm-1 , 1600 cm-1, 1050 cm-1 band의 absorption 증가를 보여준다. 세 가지 피크 absorption의 증가는 증가된 oxygen functional group 양을 의미한다[11]. (그림 3(a)). 즉, THF의 첨가는 PVDC-resin 전구체와 CuO에 존재하는 oxygen을 활성화시켜 oxygen functional group을 탄소 표면에 형성한 것으로 생각된다[38]. FT-IR 분석 결과는 탄소 표면에 COOH(carboxyl group) 극성 작용기의 생성을 의미하여 친수성의 탄소가 형성된 것을 의미한다[19].
탄소와 물과의 접촉각 측정으로부터 합성된 탄소의 친수성 분석이 가능하다[38-40]. PC와 PC-C샘플은 60초 동안 각각 초기 접촉각인 121o와 116o에서 큰 변화가 일어나지 않았다. 즉, 합성된 PC와 PC-C 샘플의 표면은 무극성(nonpolarity)의 소수성 임을 알 수 있고, 이는 일반적으로 탄소는 sp2 결합에 의한 방향성(aromatic) 구조를 갖기 때문이다[41,42](그림 3(b,c)). 극성을 띄는 물방울이 소수성 탄소에 흡착되지 않아 시간이 지나도 접촉각의 변화가 거의 없다[26]. 반면, PC-C-T샘플에서 접촉각은 1초 후 92°에서부터 3초 후 20°로 급격히 감소하였다. 소재의 친수성은 표면 친수성 작용기의 형성 또는 메조, 매크로 기공의 높은 비율로부터 나타날 수 있다. PC-C샘플과 PC-C-T샘플에 대한 N2 흡·탈착 분석 결과 두 샘플의 메조, 매크로 기공의 비율은 큰 차이가 나지 않았으므로 본 연구의 탄소 소재의 친수성은 친수성 작용기의 형성 때문인 것으로 생각된다. FT-IR 분석 결과에서 알 수 있듯이 THF와 혼합하여 합성된 탄소 소재 표면에 carboxylic acid가 형성된다. Carboxylic acid의 C와 O 사이의 전기음성도 차이는 탄소 표면을 극성으로 만든다[43]. 따라서, 친수성 탄소 표면에서 물이 빠르게 흡수되는 것으로 생각된다 (그림 3(b, c)). 접촉각 측정 결과 THF와 혼합하여 합성된 PC-C-T샘플은 친수성 표면을 가지므로, 수계 전해질에서 전극으로 사용시 이온의 흡착이 쉽게 일어날 것으로 예상된다 (그림 3(b,c)).
합성된 탄소 전극들의 수계 중성 전해질내에서의 전기화학적 거동은 cyclic voltammetry로 분석하였다(그림 4). 합성된 탄소 전극들의 비전기용량은 다음 식에 의하여 계산되었다 (식 2).
여기서, Cspecific capacitance (F g-1)는 측정된 비전기용량을 나타내며, i(t) (A)는 측정된 방전 정전류, △V (V)는 작동 전압 범위, 그리고 m(g)는 전극 내 활물질의 질량을 나타낸다.
PC-C샘플은 90 F g-1의 비전기용량을 보여 30 F g-1의 PC샘플 보다 약 3배 더 높은 용량을 가졌다 (그림 4(a)). 탄소 합성 시 첨가한 CuO는 PVDC-resin에서 발생한 HCl이 반응하면 CuCl2를 형성한다[35]. CuCl2은 화학적 활성화제로 작용하여 열처리시 마이크로 기공을 생성하여 전체 비표면적을 증가시켜 비전기용량이 증가하였다[37](표 1, 2). 한편, CuO이외에도 THF를 첨가하여 합성된 PC-C-T샘플은 PC-C샘플과 비슷한 비표면적을 보였으며 비전기용량 또한 유사하였다. 즉, 첨가된 THF는 비전기용량과 비표면적에 의미있는 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
슈퍼커패시터는 고속 충·방전시 용량 보존율 즉, 율속 특성이 중요하다. 따라서, 제조된 전극들의 율속 특성을 측정하기 위해 다른 주사속도 (scan rate)에서 cyclic voltammogram으로부터 계산된 비전기용량을 측정하였다 (그림 4(b)). PC샘플의 경우 10배 빠른 주사 속도 (50 vs. 5 mV s-1)에서 55% 율속을 보인 반면, PC-C샘플은 동일 조건에서 더 우수한 74%의 율속 성능을 보였다. 이는 PC-C샘플 합성시 추가된 CuO가 템플릿 작용을 하여 메조, 매크로 기공을 생성 전극 표면에서 내부로 이온의 이동을 용이하게 하였기 때문이다[12,23,25](그림 4(b), 표 2, 3). 한편, PC-C와 PC-C-T샘플은 유사한 비표면적과 기공크기별 비율을 보였으나, PC-C-T샘플이 10배 빠른 속도 (50 vs. 5 mV s-1)에서 82%의 율속을 보여 PC-C의 74 %보다 높은 율속성능을 보였다. 높은 율속 성능은 앞서 분석한 것처럼 PC-C-T 표면에 생성된 친수성 작용기가 수계 전해질 내 이온의 빠른 흡·탈착을 가능하게 한 것으로 생각된다[16,24,44,45] (그림 4(b), 표 2, 3).
전극표면에서의 빠른 이온 흡·탈착 분석으로 위해 전기화학적 임피던스 분광법을 실시하여 Nyquist plot으로 나타내었다(그림 4(c)). 모든 샘플에 대해 슈퍼커패시터 전극의 전형적인 임피던스 개형이 나타났다. 여기서, 고주파수 영역에서 반원(semi-circle) 곡선은 전하 전달 저항(charge transfer resistance, Rct)으로 전극표면에서 전해질 이온과의 전하 교환이 얼마나 용이한지를 보여주며, 반원의 지름으로부터 Rct를 계산하여 정리하였다 (표 2) [46]. 메조 기공이 많은 PC-C와 PC-C-T의 경우 마이크로 기공이 주로 존재하는 PC에 비하여 감소된 Rct를 보여주었다. 줄어든 Rct의 원인은 합성 시 CuO가 템플릿 작용을 통해 메조 기공을 생성하여 전하 전달 저항이 감소된 것으로 생각된다[11,47]. 또한 PC-C-T 샘플은 가장 작은 Rct값을 보였는데, 그 이유는 PC-C-T 표면에 생성된 친수성 작용기 덕분에 수계 전해질내 이온의 흡착을 용이하게 하였기 때문으로 생각된다. 즉, PC-C-T가 PC-C 샘플과 유사한 기공 크기별 분포를 가짐에도 불구하고 높은 율속 특성을 보이는 이유는 친수성 작용기에 의한 줄어든 전하 전달 저항으로 생각할 수 있다.
수계 중성 전해질에서 정전류 충·방전 실험을 통해 전극 활물질에 있는 표면 작용기의 전기화학적 안정성을 확인하기 위해 PC-C 및 PC-C-T 샘플에 대해서 장수명 충방전 실험을 측정하였다. PC-C 및 PC-C-T 샘플은 0.5 M K2SO4 수계 전해질에서 각각 96% 및 95%의 정전 용량 유지율로 우수한 안정성을 보였다 (그림 5). 두 전극 표면의 작용기는 수계 중성 전해질에서 충·방전 시 산화환원 반응이 가역적으로 일어나 작용기의 분해가 일어나지 않은 것으로 생각할 수 있다. 두 전극의 충·방전 쿨롱 효율은 10000 cycles 동안 거의 100%를 유지하는 것으로 보아 1.5 V의 작동 포텐셜에도 가역적인 반응을 한다는 것을 알 수 있다.
4. 결 론본 연구에서는 PVDC-resin 전구체로부터 CuO와 THF 첨가제를 혼합 후 750 °C 열처리하여 슈퍼커패시터용 다공성 탄소 전극을 합성하였다. CuO는 PVDC-resin에서 발생하는 HCl과 결합하여 화학적 활성화제 역할을 하는 CuCl2로 변환되었다. THF 용매는 전구체와 CuO가 균일하게 혼합되도록 도와주는 동시에 제조된 탄소 표면에 친수성 작용기를 생성하기 위하여 첨가하였다. CuO를 첨가하여 합성된 경우 PVDC-resin만 열처리한 경우보다 메조, 매크로 기공의 비율이 12.6%에서 36.4%로 증가하였다. THF를 추가로 첨가한 경우 carboxylic acid 등의 산소 기능기가 유도되어 탄소 표면을 친수성으로 변환시켰다. CuO를 첨가하여 합성한 탄소는 메조 및 매크로 기공량의 증가 덕분에 수계 중성 전해질(K2SO4)에서 90 F g-1의 비전기용량을 보였다. THF를 CuO와 함께 첨가하여 제조된 탄소의 경우에는 표면 친수성 작용기의 생성으로 인하여 10배 빠른 충방전 속도 (50 vs. 5 mV s-1)에서 82%의 우수한 율속 특성을 보여 슈퍼커패시터 용 전극으로서의 높은 가능성을 보여주었다.
AcknowledgmentsThis work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean government (Ministry of Science, ICT & Future Planning) (NRF-2022R1A2C1009922).
Fig. 1.(a) N2 adsorption-desorption (isotherm) profile and (b) pore size distribution of the carbon samples of PC, PC-C, and PC-C-T. ![]() Fig. 2.FE-SEM images of (a) PC, (b) PC-C and (c) PC-C-T samples. The micrograph of each panel was measured at a magnification of ×10,000. ![]() Fig. 3.(a) FT-IR spectra of the PC, PC-C, and PC-C-T samples, (b) contact angle measurement of droplets on the sample pellets, (c) contact angle at solid-liquid-vapor interface. ![]() Fig. 4.(a) Cyclic voltammograms recorded at a scan rate of 5 mV s-1, (b) rate capability measured at various scan rates (5, 10, 20, and 50 mV s-1), and (c) electrochemical impedance spectra for all three samples (PC, PC-C, PC-C-T) in K2SO4 electrolyte. ![]() Fig. 5.Long-cycling measurement on PC-C and PC-C-T samples in 0.5 M K2SO4 solution operated at 1.5 V with applying 2.5 A g-1 for 10000 cycles (inset: 100 cycle and 9900 cycle of galvanostatic cycling test for PC-C-T sample). ![]() Table 1.Specific surface area and mesopores ratio of the fabricated carbon samples
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