Recently, enormous research efforts have been focused on the development of non-precious catalysts to replace Pt for electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR), and to reduce the cost of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In recent years, heteroatom (N, B, and P) doped carbon nanostructures have been received enormous importance as a non-precious electrode materials for oxygen reduction. Doping of foreign atom into carbon is able to modify electronic properties of carbon materials. In this study, nitrogen and boron doped carbon nanostructures were synthesized by using a facile and cost-effective thermal annealing route and prepared nanostructures were used as a non-precious electrocatalysts for the ORR in alkaline electrolyte. The nitrogen doped carbon nanocapsules (NCNCs) exhibited higher activity than that of a commercial Pt/C catalyst, excellent stability and resistance to methanol oxidation. The boron-doped carbon nanostructure (BC) prepared at $900^{\circ}C$ showed higher ORR activity than BCs prepared lower temperature (800, $700^{\circ}C$). The heteroatom doped carbon nanomaterials could be promising candidates as a metal-free catalysts for ORR in the PEMFCs.
Owing to carbon materials' diverse functionalization and versatility, the design and synthesis of carbon-based three-dimensional porous structures have become important foundational research topics across various fields. Among the various methods for producing porous carbon structures, laser-induced graphene (LIG) has garnered attention because of its large surface area, controllable structure, excellent electrical conductivity, scalability, and eco-friendly synthesis process. In addition, recent research results have reported more novel functionalities by advancing further from the unique characteristics of LIG through functionalization or compounding of LIG, making it an attractive material for various applications in electronic devices, sensing, catalysis, and energy storage. This review aims to update the research trends in LIG and its functionalization, providing insights to inspire more interesting studies on functional LIG to expand its potential applications ultimately. Starting with the synthesis method and material characteristics of LIG, we introduce the functionalization of LIG, which is classified into surface modification, heteroatom doping, and hybridization based on the interaction mechanism. Finally, we summarize and discuss the prospects of LIG and its functionalization.
Bae, Youngjoon;Lim, Hee-Dae;Yun, Young Soo;Kang, Kisuk
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제5권2호
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pp.49-52
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2014
Graphene nanosheets (GNS), nitrogen-doped graphene nanosheets (N-GNS), and sulfur-doped graphene nanosheets (S-GNS) were successfully synthesized, and their catalytic effects on the oxygen reduction reaction (ORR) in $Li-O_2$ batteries were compared. The S-GNS electrode exhibited the highest ORR catalytic activity, resulting in enhanced discharge capacity and power capability. We attributed the enhanced ORR catalytic activity to the increased defect sites on graphene.
Graphene, a two-dimensional material with a single atomic layer, has recently become a major research focus in various applications such as electronic devices, sensors, energy storage, catalysts, and adsorbents, because of its large theoretical surface area, excellent electrical conductivity, outstanding chemical stability, and good mechanical properties. Recently, 3D nanoporous graphene structures have received tremendous attention to expand the application of 2D graphene. Here, we overview the synthesis of 3D nanoporous graphene network structure with two-dimensional graphite oxide sheets, the control of porous parameters such as specific surface area, pore volume and pore size etc, and the modification of electronic structure by heteroatom doping along with its various applications. The 3D nanoporous graphene shows superior performance in diverse applications as a promising key material. Consequently, 3D nanoporous graphene can lead the future for advanced nanotechnology.
In this paper, cobalt embedded in nitrogen and sulfur co-doped carbon nanotubes (CoNSTs) were synthesized for oxygen reduction reaction (ORR) catalysts. The CoNSTs were prepared through a facile heat treatment method without any templates. Different amounts of the metal salt were employed to examine the physicochemical and electrochemical properties of the CoNSTs. The CoNSTs showed the bamboo-like tube morphology with the encased Co nanoparticles in the tubes. Through the x-ray photoelectron spectroscopy analysis, the catalysts exhibited different chemical states of the nitrogen and sulfur species. As a result, the CoNST performed high activity toward the ORR in an acidic condition with the onset potential of 0.863 V (vs. reversible hydrogen electrode). It was clearly demonstrated from the electrochemical characterizations that the quality of the nitrogen and sulfur species significantly influences the ORR activity rather than the total amount of the dopants.
Alkaline oxygen electrocatalysis, targeting anion exchange membrane alkaline-based metal-air batteries has become a subject of intensive investigation because of its advantages compared to its acidic counterparts in reaction kinetics and materials stability. However, significant breakthroughs in the design and synthesis of efficient oxygen reduction catalysts from earth-abundant elements instead of precious metals in alkaline media still remain in high demand. One of the most inexpensive alternatives is carbonaceous materials, which have attracted extensive attention either as catalyst supports or as metal-free cathode catalysts for oxygen reduction. Also, carbon composite materials have been recognized as the most promising because of their reasonable balance between catalytic activity, durability, and cost. In particular, heteroatom (e.g., N, B, S or P) doping on carbon materials can tune the electronic and geometric properties of carbon, providing more active sites and enhancing the interaction between carbon structure and active sites. Here, we focused on boron and nitrogen doped nanocarbon composit (BNC nanocarbon) catalysts synthesized by a solution plasma process using the simple precursor of pyridine and boric acid without further annealing process. Additionally, guidance for rational design and synthesis of alkaline ORR catalysts with improved activity is also presented.
분자체 분리막은 분자크기의 기공을 갖는 다공성 분리막으로서 크기 또는 모양을 기반으로 혼합물을 분리하며, 높은 잠재적 에너지 효율과 뛰어난 분리능으로 많은 주목을 받아왔다. 그 중, 제올라이트 MFI 분리막은 가장 오랫동안 연구된 물질 중의 하나이며, 다양한 방면으로 개발된 기술들은 이후 다른 종류의 분자체 분리막 연구에도 많은 영향을 미쳤다. 본 총설에서는, 결정성 물질인 제올라이트 MFI의 결정 생성 및 성장을 제어하여 자일렌 이성질체 혼합물에 대한 분리막의 투과도와 선택도를 향상시킨 많은 방법들을 다룬다. 씨앗결정의 형태 제어, 결정의 효과적인 이차성장법, 씨앗결정의 코팅 방법, 결정의 방향성 제어, 이종원소 도입을 통한 결정구조의 유연성 제어, 결함 관리 등, 자일렌 이성질체 분리성능의 비약적 성능 향상을 가져온 기술들을 소개한다.
In this study, a comprehensive investigation was conducted on the morphological and property changes of laser-induced nanocarbon (LINC) as a function of laser process parameters. LINC was formed on the surfaces of polyimide films with different backbone structures under various process conditions, including laser power, scan speed, and resolution. Three different forms of LINC electrodes (i.e., continuous 3D porous graphene, wooly nanocarbon fibers, line cut) were formed depending on the laser power and scan speed. Furthermore, heteroatom doping induced from the chemical structure of the polyimide during laser patterning was found to be effective in modifying the electrical properties of LINC electrodes. The LINC surfaces exhibited different microstructures depending on the laser beam resolution under constant laser power and scan speed, allowing for controllable surface wettability. The correlation between the chemical structure of the polymer substrate, laser process parameters, and carbonized surface properties in this study is expected to be utilized as fundamental understanding for the manufacturing of next-generation carbon-based electronic devices.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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