LOPC(Long-range Ordered Porous Carbon)라는 새로운 형태의 탄소 발견

[아름이]

LOPC(Long-range Ordered Porous Carbon)라는 새로운 형태의 탄소 발견
날짜:
2023년 1월 11일
원천:
기초과학연구소
요약:
탄소의 가장 잘 알려진 형태는 흑연과 다이아몬드를 포함하지만 다른 더 이국적인 나노 크기의 탄소 동소체도 있습니다. 여기에는 0(평평한 모양) 또는 양의(구체 모양) 곡률을 갖는 sp2 혼성화 탄소인 그래핀 및 풀러렌이 포함됩니다. 연구원들은 풀러렌을 질화리튬으로 가열하여 형성된 새로운 형태의 탄소를 발견했다고 보고합니다.

탄소의 가장 잘 알려진 형태는 흑연과 다이아몬드를 포함하지만 다른 더 이국적인 나노 크기의 탄소 동소체도 있습니다. 여기에는 0(평평한 모양) 또는 양의(구체 모양) 곡률을 갖는 sp 2 혼성화 탄소 인 그래핀 및 풀러렌이 포함됩니다 .

한편, "슈바르자이트(schwarzite)"라고 불리는 음의 곡률을 갖는 sp 2 혼성 탄소가 이론적으로 제안되었으며, 그 발견은 탄소 재료 분야의 일부 과학자들의 꿈이었다. 탄소는 증기 증착을 통해 특정 제올라이트의 주기적인 기공 중 일부에 주형화될 수 있지만 일부 기공이 너무 좁아서 주형화가 불완전하다는 것을 알게 되었습니다. 이것은 템플릿 경로에 의해 탄소 슈바르츠이트를 만드는 것을 방해했습니다.

최근 로드니 루오프(Rodney RUOFF) 소장이 이끄는 한국 기초과학연구소(IBS) 다차원탄소재료센터 연구팀과 주옌우(Yanwu ZHU) 교수가 이끄는 중국 과학기술대학교 동료들은 최근 다음과 같은 사실을 보고했다. 새로운 형태의 탄소 발견.

USCT 팀을 이끈 Zhu는 "Ruoff 교수는 수학자 Schwartz가 설명한 3중 주기 최소 곡면에 대한 그의 관심과 3가 결합 탄소가 원칙적으로 수학적 구조에서 동일한 구조를 산출할 수 있는 방법에 대해 설명했습니다. 이제 이러한 표면을 "탄소 슈바르자이트" 구조이며 "음의 곡률 탄소"라고도 할 수 있습니다. 몇 년 전에 저는 이것이 흥미로운 연구 주제이며 그의 제안에 대해 협력할 방법을 찾는 것이 가능할 것이라고 말했습니다.

이 새로운 형태의 탄소는 기본 재료로 C 60 풀러렌(buckminsterfullerene, "버키볼 분자"라고도 함) 분말을 사용하여 생산되었습니다. C 60 을 α-Li 3 N("알파 리튬 질화물")과 혼합 한 다음 1기압을 유지하면서 적당한 온도로 가열했습니다. α- Li3 가 C60의 일부 탄소-탄소 결합의 파괴를 촉매하고, C60 분자 로의 전자 이동을 통해 인접한 C60 분자 와 새로운 CC 결합이 형성됨을 알게 되었습니다 .

Ruoff는 "이 특별한 노력에서 USTC의 Zhu 교수와 팀은 강력한 전자 이동제(α-Li 3 N)를 사용하여 결정성 풀러렌으로 시작하여 새로운 유형의 탄소 형성을 유도했습니다."라고 말했습니다.

Zhu 교수와 팀은 새로운 탄소를 '장거리 정렬된 다공성 탄소'(LOPC)라고 명명했습니다.

LOPC는 장거리 주기성으로 연결된 '깨진 C60 케이지'로 구성됩니다. 즉, 파손된 C60 케이지는 각각 여전히 면심 입방격자의 격자 부위에 중심을 두고 있지만, 어느 정도 "개방"되어 서로 결합을 형성했습니다. 이것은 다소 특이한 상황입니다. 특정 유형의 장거리 주기적 명령이 여전히 있지만 모든 깨진 C60 케이지가 이웃과 동일하지는 않습니다.

LOPC의 형성은 좁은 온도와 탄소/Li 3 N 비율 조건에서 발생하는 것으로 밝혀졌습니다. 탄소와 Li3N의 비율이 5:1일 때 최대 550oC까지 가열하면 버키볼이 부분적으로 파괴(일부 CC 결합이 끊어짐)되어 LOPC에서 발견되는 "깨진 C 60 케이지" 구조가 발견됩니다.

480 oC 이하의 온화한 온도 또는 더 낮은 수준의 Li3N은 버키볼을 손상시키지 않고 대신 함께 결합하여 "C 60 폴리머 결정"을 형성합니다. 이 수정은 재가열 시 개별 버키볼로 다시 분해됩니다. 한편, Li 3 N 을 너무 많이 추가 하거나 600 oC 이상의 더 가혹한 온도를 가하면 버키볼이 완전히 분해되었습니다.

이 새로운 탄소는 다양한 방법으로 특성화되었으며 (실제로) 표준 면심 입방 결정 격자에서 위치를 유지하는 약간 다른 다양한 '깨진 C60 케이지'로 인해 특성화가 쉽지 않았습니다. X선 회절, 라만 분광법, 매직 앵글 회전 고체 핵 자기 공명 분광법, 수차 보정 투과 전자 현미경, 중성자 산란을 사용하여 이 새로운 형태의 탄소 구조를 이해했습니다. 위에서 언급한 실험 방법과 결합된 신경망 유형의 모델링을 기반으로 한 수치 시뮬레이션은 LOPC가 '풀러렌 유형'에서 '그래핀 유형' 탄소로 변환하는 동안 생성된 준안정 구조임을 보여줍니다.

"탄소 K-에지 근방 X선 흡수 미세 구조" 데이터는 C 60 보다 LOPC에서 더 높은 전자 비편재화를 나타낸다 . 전기 전도도는 실온에서 1.17 × 10-2 S cm-1인 것으로 밝혀졌으며 30 Kelvin 미만의 온도에서 전도는 캐리어 호핑에 의해 중단된 짧은 거리에서 금속과 같은 전송의 조합으로 보입니다. 이러한 전기적 특성을 아는 것은 이러한 새로운 유형의 탄소에 대해 가능한 응용 분야를 설명하는 데 중요합니다.

Ruoff는 "이 아름다운 새로운 유형의 탄소는 많은 매력적인 기능을 가지고 있지만 탄소 슈바르자이트가 아니므로 실험적 과제는 여전히 남아 있습니다! 실제로 이 탄소는 뭔가 다르고 독특한 것입니다. 완전히 새로운 가능성을 열어줍니다. 탄소 소재의 새로운 방향으로."

LOPC의 준비는 C 60 (s)에서 시작하여 아마도 C 70 , C 76 , C 84 등과 같은 다른 풀러렌에서 시작하는 다른 결정질 탄소를 발견할 수 있는 길을 열어줍니다 . 다른 흥미로운 옵션은 다른 요소를 포함하는 것입니다. 이것은 M@ C60 과 같은 "내면체" 풀러렌으로 시작하여 수행할 수 있습니다 . 여기서 M은 란타넘 또는 모든 탄소 풀러렌 케이지 내부에 캡슐화되는 다른 많은 원소일 수 있습니다.

팀은 에너지 수확, 변환 및 저장에 가능한 응용 프로그램을 봅니다. 화학 제품을 생성하는 촉매 작용에서; 그리고 분자 이온 또는 기체의 분리를 위해. Nature 논문에서도 강조된 중요한 측면은 합성의 확장성입니다. Zhu는 킬로그램 규모로 쉽게 확장할 수 있으며 지속적인 생산 공정을 통해 톤 규모의 생산을 달성하는 것이 가능할 수 있다고 지적합니다.

"Yanwu는 합성의 초기 성공과 프로젝트의 초기 단계를 약속한 후 저를 초대하여 프로젝트의 초기 단계를 약속했습니다. 다행스럽게도 저는 현재 Nature에 발표된 이 연구를 완료하고 진행 중인 과학에 대해 몇 가지 유용한 제안을 할 수 있었습니다. 크레딧 합성 및 실습 실험 연구는 전적으로 Yanwu와 그의 팀 덕분입니다. 수행해야 할 몇 가지 분석과 그로부터 배울 수 있는 내용을 포함하여 특정 주제에 대한 조언을 제공할 수 있어서 기뻤습니다."라고 Ruoff는 말합니다. "동료들과의 협업은 과학을 하는 즐거움 중 하나입니다. 이번 주제는 탄소의 새로운 형태였고 제가 지휘하는 UNIST에 있는 CMCM 센터의 이해관계와 완벽하게 일치했습니다. 그래서 저는 흥분,

Zhu는 "Ruoff 교수는 탄소 재료 분야의 전설적인 과학자이며 또한 일반적으로 간단합니다. 저는 그의 연구 그룹에서 3년 3개월 동안 박사 후 연구원으로 있었으며 그 동안 기본적인 방법에 대해 많은 것을 배웠습니다. 실제로 박사후 연구원으로서의 마지막 몇 년은 그래핀과 같은 시트를 기반으로 하는 3가 결합 탄소에 관한 사이언스에 결국 출판된 작업에 대해 매일 그와 매우 긴밀한 대화를 나누며 보냈습니다. 우리 팀은 그가 우리의 노력에 동참했고 우리가 Nature에 게재한 기사에서 기술한 과학에 강력하게 기여한 것을 매우 기쁘게 생각했습니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/