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Jul 19, 2023

홀리 그래핀의 엄청난 장점과 강력한 HER 촉매 활성

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9123(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서는 최근 합성된 홀리 그래핀의 열전달 특성과 수소 발생 반응 촉매 활성을 밝히기 위한 포괄적인 연구를 수행했다. 우리의 연구 결과는 HSE06 교환 상관 기능을 사용하여 홀리 그래핀이 1.00eV의 직접 밴드갭을 갖는다는 것을 보여줍니다. 포논 분산에 가상 포논 주파수가 없으면 동적 안정성이 보장됩니다. 홀리 그래핀의 형성 에너지는 -8.46eV/원자로 밝혀졌으며, 이는 그래핀(-9.22eV/원자) 및 h-BN(-8.80eV/원자)과 비슷합니다. 300K에서 Seebeck 계수는 1 x 1010cm-2의 캐리어 농도에서 700μV/K만큼 높습니다. 29.3W/mK의 예상 실온 격자 열전도율(κl)은 그래핀(3000W/mK)보다 실질적으로 낮고 C3N(128W/mK)보다 4배 더 작습니다. 약 335nm 두께에서 실온 κl은 25% 억제됩니다. 계산된 p형 성능 지수(ZT)는 300K에서 최대 1.50에 도달하며, 이는 홀리 그래핀(ZT = 1.13), γ-그라핀(ZT = 0.48) 및 원시 그래핀(ZT = 0.55 × 10 -삼). 600K에서 3.36까지 더 확장됩니다. 이러한 엄청난 ZT 값은 홀리 그래핀을 매력적인 p형 열전 재료로 만듭니다. 그 외에도 홀리 그래핀은 0.20eV의 낮은 과전위를 갖는 잠재적인 HER 촉매이며, 이는 2% 압축 변형률에서 0.03eV로 더욱 감소합니다.

빠르게 증가하는 인구와 인프라 개발은 에너지 수요 증가의 이면에 있으며, 이는 2030년 23테라와트에서 20501년 30테라와트로 더욱 증가할 것입니다. REN21(Global Renewable Energy Community) 통계에 따르면 전체 에너지의 약 80%가 기존 에너지에 의존하고 있습니다. 에너지 자원과 재생 에너지원은 나머지 20%만 추가합니다2. 화석 연료에 대한 과도한 의존은 지구 온난화와 파괴적인 환경 문제를 야기합니다3. 이러한 문제에 대응하기 위해 화석 연료에 대한 지속 가능하고 깨끗한 대안을 찾으려는 전 세계적 노력이 있어 왔습니다4. 자연 재생 에너지원 중에서 수소는 에너지 밀도가 높고 환경 친화적이라는 점에서 이상적인 지속 가능한 에너지원입니다5. 그러나 귀중하고 덜 풍부한 금속 기반 촉매가 수소 생산6에 사용되어 광범위한 활용을 방해합니다7. 따라서 새로운 금속이 없는 촉매를 탐색하는 것은 수소 대량 생산을 위한 실행 가능한 경로입니다8,9. 열전 발전기는 또한 기술에 움직이는 부품이 포함되지 않기 때문에 빈번하지 않은 유지 관리와 긴 장치 수명을 수반하는 풍부한 폐열을 고려할 때 깨끗하고 재생 가능한 에너지 자원에 대한 탁월한 대안입니다10,11. Bi2Te3는 열전 발전기에 널리 사용되었지만 텔루르의 독성과 희소성으로 인해 사용이 제한되었습니다12. 또한 양극성 전도는 좁은 밴드갭으로 인해 450K 이상에서 Bi2Te3의 성능 지수를 억제합니다. 따라서 합리적인 밴드갭을 지닌 풍부하고 무독성인 재료가 최적의 선택이 될 것입니다.

그래핀13의 실험적 실현 이후, 독특한 물리적 특성, 토폴로지 상태, 질량 없는 Dirac 콘 및 반도체 동작으로 인해 다른 2차원(2D) 탄소 동소체에 엄청난 관심이 집중되었습니다. 다공성 질소화 구멍이 있는 그래핀20, 폴리아닐린21, phagraphene22, naphyne23, graphtetrayne24 및 biphenylene25는 실험적으로 합성된 2D 탄소 동소체의 몇 가지 예입니다.

이들 중에서, 다양한 sp 및 sp2 혼성 탄소 원자를 갖는 그래핀은 그래핀 동소체의 가장 큰 계열 중 하나를 구성합니다. 탁월한 유연성, 높은 캐리어 이동성, 전자 밴드 구조를 특징으로 하는 Dirac 콘, 다공성 구조로 인한 효율적인 이온 흡착 및 분자 선택성, sp 상태의 아세틸렌 결합으로 인한 열전도도 감소 등을 보유합니다. . 최근에는 홀리그라프네(holey graphyne)라는 초박형 2차원 탄소 동소체를 합성하기 위해 상향식 기술이 사용되었습니다. 나노시트는 뛰어난 기계적, 열적, 동적 안정성을 보여줍니다. 그래핀과 달리 이는 높은 캐리어 이동도(광전자 공학 응용 분야에 유망)를 갖는 직접 밴드갭 반도체이며 다공성 구조를 균일하게 분포하는 sp 및 sp2 혼성 탄소 원자를 보유합니다(가스 분리, 물 담수화, 에너지 저장 및 촉매 작용에 유리함). 홀리 그래핀은 이전에 이 목적을 위해 연구된 유사한 결정 구조를 가진 다른 재료와 마찬가지로 금속-황 배터리의 고정 재료로 간주될 수도 있습니다. 그러나 우리가 아는 한, 홀리 그래핀의 이러한 응용은 지금까지 발견되지 않았습니다. 여기에서 우리는 열전 및 H2 생산에 대한 잠재력을 탐구하기 위해 포괄적인 연구를 수행했습니다. 독특하고 뚜렷한 결합이 존재함으로써 κl은 그래핀 계열의 다른 평면 2D 재료에 비해 홀리 그래핀에서 더 낮아져 열전 성능 지수가 향상될 것으로 예상됩니다. 반면, 다공성 평면을 수반하는 결합 전하 밀도의 변화는 반응 부위의 수를 증가시켜 촉매 작용에 탁월한 선택이 됩니다.