밀도 범 함수 이론을 이용한 에너지 저장체 관점에서 그래파인에 대한 연구 : 수소 저장과 리튬 이온 전지 음극 물질
저자
발행사항
서울 : 건국대학교 대학원, 2014
학위논문사항
학위논문(석사)-- 건국대학교 대학원 : 물리학과 2014. 2
발행연도
2014
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
64 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 권용경
소장기관
상온에서 칼슘이 붙은 그래파인에 수소 분자를 흡수시켜 수소 저장체로써 그래파인을 연구하였다. 칼슘 이온의 차지 않은 d오비탈과 수소 분자의 σ, σ*이 Kubas 상호작용으로 결합하여 결합에너지를 0.2 eV~0.6 eV를 가질 수 있었고 이때 결합에너지는 흡수 조건 25 °C-30 atm와 탈착 조건 100 °C-3 atm에 따라 계산한 수소 분자가 가지는 화학 포텐셜의 에너지 범위에 있어 상온 수소 저장 조건을 만족했다. 칼슘에 수소 분자가 최대 5개까지 흡수되었다. 이때 칼슘이 붙은 그래파인이 흡수하는 수소 분자의 비 용량은 최대 ~7 wt %를 가지며 온도와 압력에 따른 흡착, 탈착 조건을 고려했을 때 ~3 wt %를 가졌다.
단층, 다층 그래파인에서 리튬 이온 전지 음극 물질으로써 그래파인을 연구하였다. 단층 그래파인에서 리튬의 최대 밀도는 α-그래파인에서 3이고 γ-그래파인에서 2였다. 하지만 다층 γ-그래파인에서 그래파인 층간의 Li 결합으로 최대 밀도는 3까지 올라갔다. 리튬 이온 베터리의 안정성을 위해 Li의 뭉침을 고려하였고 γ-그래파인의 Li 밀도가 2일 때를 제외하고 Li 결합에너지가 벌크 Li 응집에너지보다 커서 Li의 뭉침은 일어나지 않았다. Li이 흡수된 최대 비율은 C6Li3을 가졌으며 Li이 삽입된 다층 α-, γ-그래파인의 체적 용량은 1364 mAh cm-3, 1589 mAh cm-3였고 그래파이트의 체적 용량 818 mAh cm-3보다 크다. 따라서 다층 그래파인은 고 용량 리튬 이온 전지 음극 물질로 응용 가능하다.
수소 흡착된 그래파인에서 수소의 밀도와 흡착에 따른 구조에 따른 구조의 안정성과 밴드 갭을 계산하였다. 수소 원자가 sp-, sp2-혼성된 탄소에 흡착되어 sp2-, sp3-혼성된 탄소로 이루어진 그래파인을 형성할 수 있고 이때 그래파인은 in-plane, oblique, out-of-plane으로 3가지 구조를 가졌다. 수소흡착 구조의 변화에 따라 ~3 eV까지 밴드 갭이 변했고 수소 밀도의 변화를 통해 ~5 eV까지 밴드 갭이 조율될 수 있었다. 수소의 밀도가 증가하면서 흡착된 수소 사이의 반발력 때문에 결합에너지가 작아졌고 그래파인에서 흡착된 수소는 퍼져 수소 밀도에 따라 안정한 구조를 가져 그래파인은 소자와 수소 저장체로 응용될 수 있을 것이다. 최대로 수소 흡착된 그래파인의 안정한 구조는 C1H1.75이고 비 용량은 ~13 wt % H이였다.
Graphynes, two-dimensional layers of sp- and sp2-bonded carbon atoms, have recently received considerable attention because of their potential as new Dirac materials. Through the first principles density functional calculations, we here explored possible applications of new carbon allotropes known as graphynes for lithium ion anode materials as well as hydrogen storage materials.
Graphynes, decorated with Ca atoms as attarctors of H2 molecules, was studied at room temperature hydrogen storage media by their large surface area and low weight. Using equilibrium statistical thermodynamics, we found that individual Ca-decorated graphynes are thermodynamically stable, unlike previously studied Ca−carbon complexes. Up to five H2 molecules can be adsorbed on a Ca atom, each with a binding energy of ∼0.2 eV/H2 required for H2 filling and delivery under an achievable operation condition of temperature and pressure. We also show that Ca-decorated graphynes can serve as promising hydrogen storage materials with a
We studied the applicability of single layer graphyne and multilayer graphynes as lithium ion battery anodes through the first principles density functional calculations. We have found that Li potential energies are in the range suitable to be used as anodes. Furthermore, the maximum composite of Li-intercalated multilayer α- and γ-graphynes is found to be C6Li3, which corresponds to a specific capacity of 1117 mAh g−1, twice as large as the previous theoretical prediction for graphynes. The volumetric capacities of Li intercalated multilayer α- and γ-graphynes are 1364 and 1589 mAh cm−3, respectively. Both specific and volumetric capacities of Li intercalated graphynes are significantly larger than the corresponding value of graphite, from which we conclude that multilayer graphynes can serve as high-capacity lithium ion battery anodes.
On the basis of first-principles calculations, we present exotic geometrical and electronic properties in hydrogenated graphyne, a 2D material of sp−sp2 hybrid carbon networks. Hydrogen atoms adsorbed onto sp-bonded carbon atoms can form both sp2- and sp3-hybridized bonds and can exist in three different geometries: in-plane, out-of-plane, and oblique-plane; this is in sharp contrast to hydrogenated graphene, which has only one hydrogenation geometry. The band gaps of hydrogenated graphyne can be varied by ∼3 eV as the geometry changes. We also find that change in the hydrogen concentration allows a large band-gap tuning of ∼5 eV. Unlike hydrogenated graphene, in which H atoms show a tendency to cluster, H atoms tend to be dispersed in graphyne, making band-gap tuning feasible. These exotic properties in hydrogenated graphyne indicate that the band gap of hydrogenated graphyne can be tailored for new device applications. Furthermore, the composite of fully hydrogenated graphyne is C1H1.75, which has a hydrogen-to-carbon ratio greater than that of graphane (C1H1). This large hydrogen capacity (∼13 wt % H) suggests that graphyne also can be used as a high-capacity hydrogen storage material.
분석정보
서지정보 내보내기(Export)
닫기소장기관 정보
닫기권호소장정보
닫기오류접수
닫기오류 접수 확인
닫기음성서비스 신청
닫기음성서비스 신청 확인
닫기이용약관
닫기학술연구정보서비스 이용약관 (2017년 1월 1일 ~ 현재 적용)
학술연구정보서비스(이하 RISS)는 정보주체의 자유와 권리 보호를 위해 「개인정보 보호법」 및 관계 법령이 정한 바를 준수하여, 적법하게 개인정보를 처리하고 안전하게 관리하고 있습니다. 이에 「개인정보 보호법」 제30조에 따라 정보주체에게 개인정보 처리에 관한 절차 및 기준을 안내하고, 이와 관련한 고충을 신속하고 원활하게 처리할 수 있도록 하기 위하여 다음과 같이 개인정보 처리방침을 수립·공개합니다.
주요 개인정보 처리 표시(라벨링)
목 차
3년
또는 회원탈퇴시까지5년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한3년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한2년
이상(개인정보보호위원회 : 개인정보의 안전성 확보조치 기준)개인정보파일의 명칭 | 운영근거 / 처리목적 | 개인정보파일에 기록되는 개인정보의 항목 | 보유기간 | |
---|---|---|---|---|
학술연구정보서비스 이용자 가입정보 파일 | 한국교육학술정보원법 | 필수 | ID, 비밀번호, 성명, 생년월일, 신분(직업구분), 이메일, 소속분야, 웹진메일 수신동의 여부 | 3년 또는 탈퇴시 |
선택 | 소속기관명, 소속도서관명, 학과/부서명, 학번/직원번호, 휴대전화, 주소 |
구분 | 담당자 | 연락처 |
---|---|---|
KERIS 개인정보 보호책임자 | 정보보호본부 김태우 | - 이메일 : lsy@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0439 - 팩스번호 : 053-714-0195 |
KERIS 개인정보 보호담당자 | 개인정보보호부 이상엽 | |
RISS 개인정보 보호책임자 | 대학학술본부 장금연 | - 이메일 : giltizen@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0149 - 팩스번호 : 053-714-0194 |
RISS 개인정보 보호담당자 | 학술진흥부 길원진 |
자동로그아웃 안내
닫기인증오류 안내
닫기귀하께서는 휴면계정 전환 후 1년동안 회원정보 수집 및 이용에 대한
재동의를 하지 않으신 관계로 개인정보가 삭제되었습니다.
(참조 : RISS 이용약관 및 개인정보처리방침)
신규회원으로 가입하여 이용 부탁 드리며, 추가 문의는 고객센터로 연락 바랍니다.
- 기존 아이디 재사용 불가
휴면계정 안내
RISS는 [표준개인정보 보호지침]에 따라 2년을 주기로 개인정보 수집·이용에 관하여 (재)동의를 받고 있으며, (재)동의를 하지 않을 경우, 휴면계정으로 전환됩니다.
(※ 휴면계정은 원문이용 및 복사/대출 서비스를 이용할 수 없습니다.)
휴면계정으로 전환된 후 1년간 회원정보 수집·이용에 대한 재동의를 하지 않을 경우, RISS에서 자동탈퇴 및 개인정보가 삭제처리 됩니다.
고객센터 1599-3122
ARS번호+1번(회원가입 및 정보수정)