KR101813584B1 - 탄소나노구조체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

유기 용매의 분해 생성물인 복수 개의 유기 분자들을 포함하는 탄소나노구조체 및 이의 제조 방법이 제공된다. 해당 탄소나노구조체는 분해되는 용매의 특성에 따라 다양한 특성을 가질 수 있으며, 도핑된 이종원소의 종류에 따라 다양한 특성을 보일 수 있어 이를 다양한 분야에 적용할 수 있다. 또한, 해당 탄소나노구조체는 유기 용매를 단독으로 사용하여 합성되기 때문에 부반응의 생성이 억제될 수 있으므로, 정제공정없이 고품질을 갖도록 형성될 수 있다. 더불어, 해당 탄소나노구조체를 형성한 후 남은 잔여 용매는 추출하여 재활용이 가능하며 이를 통해 폐기물이 발생하지 않는 친환경적 공정이 가능할 수 있다.

Description

탄소나노구조체 및 이의 제조 방법{CARBONNANOCOPOSITES AND METHOD OF PREPARING THE SAME}
본 발명은 탄소나노구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 유기용매의 분해 생성물로부터 제조된 탄소나노구조체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
작은 사이즈를 갖는 탄소나노구조체 중 그래핀 양자점의 제조방법은 일반적으로 흑연과 같이 크기가 큰 상태의 물질을 쪼개 제조하는 탑-다운 (top-down)방식과 탄소 원자를 포함하는 유기물을 혼합하여 제조하는 바텀-업 (bottom-up) 방식으로 나뉠 수 있다.
우선, 흑연은 탄소원자가 6각형 고리구조로 결합되어 있는 그래핀이 적층되어 있는 물질로, 그래핀을 형성하는 탄소원자는 sp2 결합을 하고 있으며, 그래핀 층은 이웃한 그래핀 층과 van der Waals 결합을 하고 있어 흑연을 작은 크기의 양자점으로 작게 조각내기 어렵다. 이에 따라, 종래의 연구자들은 탑-다운 (top-down)방식을 이용하여 그래핀 평면과 층 사이의 결합을 약화시켜 양자점을 제조하기 위해, 산화그래핀을 제조하고 이를 수열 반응시켜 그래핀 양자점을 제조하였다. 하지만, 이러한 방법은 강한 산성용액에서 흑연의 구조를 화학적으로 산화시키기 때문에 제조된 양자점의 품질이 떨어지는 단점이 있으며, 상기 그래핀 양자점을 제조하기 위해 여러 단계의 공정을 거치고, 각 단계를 거치면서 수율이 떨어진다는 문제점이 존재하였다.
한편, 그래핀 양자점을 제조하는데 있어 바텀-업(bottom-up)적 합성 방법은 탄소원자를 함유한 유기물에 열이나 화학적 처리를 통해 크기를 제어하여 합성하는 것이다. 대표적으로 시트르 산이나 글루코오즈 같은 유기물을 탄소 전구체로 이용하여 고온/고압 하에서 제조하며, 사용되는 유기물에 따라 이종원소가 도핑되는 특징이 있다. 이렇게 제조된 양자점은 생산 수율 뿐만 아니라 양자 수율도 매우 높기 때문에, 흑연을 작게 분해하여 제조한 양자점보다 균일한 특성을 나타낼 수 있다는 이점이 존재한다. 하지만, 양자점 생성 반응시 부산물이 생성되어 정제공정이 필수적으로 포함되며, 제조된 후에 용매에 소량만이 분산되는 단점이 있다.
이에 따라, 부산물의 생성 없이 간편하게 합성되며 우수한 특성을 갖는 탄소나노구조체 및 이의 제조방법에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명의 구현예들에서는 이에 따라, 부산물의 생성 없이 간편하게 합성되며 우수한 특성을 갖는 탄소나노구조체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 구현예들에서는 추가적인 이종원소의 주입이나 공정없이 유기 용매만을 이용하여 제조된 탄소나노구조체로서, 균일한 크기를 가지며 고품질을 갖는 이종원소를 포함하는 분자가 도핑된 탄소나노구조체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 유기 용매의 분해 생성물인 복수 개의 유기 분자들을 포함하는 탄소나노구조체가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 탄소나노구조체 핵 및 상기 탄소나노구조체 핵에 결합되어 성장된 복수 개의 상기 유기 분자들로 이루어지며,상기 탄소나노구조체 핵은 상기 유기 분자의 결합물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 탄소 전구체의 분해 생성물으로서 0차원, 2차원 또는 3차원의 구조를 가지고, 상기 탄소 전구체는 상기 유기 분자들의 결합물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 유기 용매는 아세톤, 벤젠, N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide: DMSO), n-헥산, 벤젠, 사염화탄소, 액상 이산화탄소 및 이황화탄소로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 액체 암모니아를 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 이종원소가 도핑된 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 이종원소는 탄소(C) 이외의 질소(N), 플루오르(F), 산소(O), 인(P), 붕소(B), 황(S), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 금속 또는 금속 전구체를 더 포함하며, 상기 유기 분자들은 상기 금속 또는 금속 전구체의 분해 생성물과 상기 유기 용매의 분해 생성물이 결합되어 형성된 금속-유기 분자들일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 금속-탄소나노구조체 핵 및 상기 금속-탄소나노구조체 핵에 결합되어 성장된 상기 금속-유기 분자들로 이루어지며, 상기 금속-탄소나노구조체 핵은 상기 금속-유기 분자들의 결합물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 금속-탄소 전구체의 분해 생성물이고, 상기 금속-탄소 전구체는 상기 금속-유기 분자들의 결합물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pd), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 스트론튬(Sr), 세슘(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 레늄(Re), 마그네슘(Mg), 붕소(B) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 금속 전구체는 CuCl2, CoCl2, OsCl3, CrCl3, (NH3)6RuCl3, FeCl3, NiCl2, PdCl2, RuCl3, H2PtCl6, Pd(NO3)2, (NH3)4Pt(NO3)2, Fe(NO3)3, Ni(NO3)2, 철 아세틸아세토네이트(Iron acetlyacetonate), 페로센(ferrocene)및 Pt(acac)2 로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 용매는 NMP이고, 상기 유기 분자는 메틸-5-옥소-L-프롤리네이트(Methyl 5-oxo-L-prolinate), (1-메틸-5-옥소-2-피롤리딘일)메틸 아세테이트 (1-Methyl-5-oxo-2-pyrrolidinyl)methyl acetate), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), (2E)-N-하이드록시-4-메틸-3-펜텐-2-이민((2E)-N-Hydroxy-4-methyl-3-penten-2-imine), 1-부틸피롤리딘-2-온(1-Butylpyrrolidin-2-one), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone), (1-에틸-2-피롤리디닐)메탄올(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanol), 1-(1-에틸-2-피롤리디닐)메탄아민(1-(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanamine), 1-[(2R)-1-Ethyl-2-피롤리디닐]메탄아민(1-[(2R)-1-Ethyl-2-pyrrolidinyl]methanamine), (5E)-7-비닐-5-운데센((5E)-7-Vinyl-5-undecene), (2E,9E)-2,9-운데카디엔((2E,9E)-2,9-Undecadiene), N-에틸-1-프로판아민(N-Ethyl-1-propanamine), N-메틸-N-니트로-1-(1-피페리디닐)메탄아민(N-Methyl-N-nitro-1-(1-piperidinyl)methanamine), 3-(2-메틸-1-피페리디닐)-1-프로판아민(3-(2-Methyl-1-piperidinyl)-1-propanamine), 1,5-다이메틸-2-피롤리디논(1,5-Dimethyl-2-pyrrolidinone), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리디논( 1-(2-Hydroxyethyl)-2-pyrrolidinone), 5-메틸-2-옥틸-3(2H)-퓨라논(5-Methyl-2-octyl-3(2H)-furanone), 3-하이드록시-3-페닐프로필 카바메이트(3-Hydroxy-3-phenylpropyl carbamate), 2-하이드록시프로피온산(2-Hydroxypropanoic acid), 4-펜텐-2-올(=4-Penten-2-ol), N-(2-아미노에틸)아세트아마이드(N-(2-Aminoethyl)acetamide), N-아세틸-N-메틸아세트아마이드(N-Acetyl-N-methylacetamide, N-에틸포름아마이드(N-Ethylformamide), 1-(3-하이드록시프로필)-2-피롤리디논(1-(3-Hydroxypropyl)-2-pyrrolidinone) 및 1-에틸-N-(2-폼일페닐)프롤린아마이드(1-Ethyl-N-(2-formylphenyl)prolinamide)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 반응 용기 내에 유기 용매를 넣고 온도와 압력을 가하여 상기 유기 용매를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성하는 단계; 상기 유기 분자들을 결합시켜 탄소나노구조체 핵을 형성하는 단계; 및 상기 유기 분자들을 상기 탄소나노구조체 핵에 결합시키고 핵 성장시켜 탄소나노구조체를 형성하는 단계; 를 포함하는 탄소나노구조체의 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 반응 용기 내에 유기 용매를 넣고 온도와 압력을 가하여 상기 유기 용매를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성하는 단계; 상기 유기 분자들을 결합시켜 탄소전구체를 형성하는 단계; 및 상기 탄소 전구체를 분해하여 0차원, 2 차원 또는 3차원 구조를 갖는 복수 개의 탄소나노구조체를 형성하는 단계; 를 포함하는 탄소나노구조체의 형성 방법이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 복수 개의 유기 분자들을 형성할 때, 상기 온도는 40 내지 800 ℃의 범위 내이고, 상기 압력은 1 내지 500 atm의 범위 내 일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 아세톤, 벤젠, NMP, DMF, DMSO, n-헥산, 벤젠, 사염화탄소, 액상 이산화탄소 및 이황화탄소로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 아세톤, 벤젠, NMP, DMF, DMSO, n-헥산, 벤젠, 사염화탄소, 액상 이산화탄소 및 이황화탄소로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 복수 개의 유기 분자들을 형성할 때, 상기 용매는 NMP이고, 상기 유기 분자는 메틸-5-옥소-L-프롤리네이트(Methyl 5-oxo-L-prolinate), (1-메틸-5-옥소-2-피롤리딘일)메틸 아세테이트 (1-Methyl-5-oxo-2-pyrrolidinyl)methyl acetate), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), (2E)-N-하이드록시-4-메틸-3-펜텐-2-이민((2E)-N-Hydroxy-4-methyl-3-penten-2-imine), 1-부틸피롤리딘-2-온(1-Butylpyrrolidin-2-one), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone), (1-에틸-2-피롤리디닐)메탄올(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanol), 1-(1-에틸-2-피롤리디닐)메탄아민(1-(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanamine), 1-[(2R)-1-Ethyl-2-피롤리디닐]메탄아민(1-[(2R)-1-Ethyl-2-pyrrolidinyl]methanamine), (5E)-7-비닐-5-운데센((5E)-7-Vinyl-5-undecene), (2E,9E)-2,9-운데카디엔((2E,9E)-2,9-Undecadiene), N-에틸-1-프로판아민(N-Ethyl-1-propanamine), N-메틸-N-니트로-1-(1-피페리디닐)메탄아민(N-Methyl-N-nitro-1-(1-piperidinyl)methanamine), 3-(2-메틸-1-피페리디닐)-1-프로판아민(3-(2-Methyl-1-piperidinyl)-1-propanamine), 1,5-다이메틸-2-피롤리디논(1,5-Dimethyl-2-pyrrolidinone), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리디논( 1-(2-Hydroxyethyl)-2-pyrrolidinone), 5-메틸-2-옥틸-3(2H)-퓨라논(5-Methyl-2-octyl-3(2H)-furanone), 3-하이드록시-3-페닐프로필 카바메이트(3-Hydroxy-3-phenylpropyl carbamate), 2-하이드록시프로피온산(2-Hydroxypropanoic acid), 4-펜텐-2-올(=4-Penten-2-ol), N-(2-아미노에틸)아세트아마이드(N-(2-Aminoethyl)acetamide), N-아세틸-N-메틸아세트아마이드(N-Acetyl-N-methylacetamide, N-에틸포름아마이드(N-Ethylformamide), 1-(3-하이드록시프로필)-2-피롤리디논(1-(3-Hydroxypropyl)-2-pyrrolidinone) 및 1-에틸-N-(2-폼일페닐)프롤린아마이드(1-Ethyl-N-(2-formylphenyl)prolinamide)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 반응 촉진제로서 산소(O2)가 포함된 기체 또는 화학물질을 상기 반응 용기 내에 주입할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체의 수득률은 5% 내지 95%일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 0.001 mg/ml 내지 10,000 mg/ml의 농도로 분산될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 10 mg/ml 내지 200 mg/ml 의 농도로 분산될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 0.1 내지 10,000 nm 범위 내의 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 유기용매를 이용하여 제조된 탄소나노구조체들은 서로 균일한 크기를 갖도록 형성될 수 있어 응용이 용이하므로 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 상기 탄소나노구조체는 용매에 고농도로 장시간 분산되어 있을 수 있어 분산성이 용이할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노구조체에는 다양한 이종원소가 도핑될 수 있으므로 도핑된 이종원소의 종류에 따라 다양한 특성을 보일 수 있어 이를 다양한 분야에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노구조체의 제조 방법은 열에너지를 가하는 조건하에 유기 용매를 사용하여 균일한 크기의 탄소나노구조체를 합성함과 동시에 이종원소를 도핑하는 방법이다. 이를 이용하면, 도핑재의 추가 주입없이 단순히 용매를 교환함으로써 용매가 함유한 이종원소를 탄소나노구조체에 도핑할 수 있어 다양한 특성을 갖는 이종원소가 도핑된 탄소나노구조체를 제공할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노구조체는 유기 용매를 단독으로 사용하여 합성되기 때문에 부반응의 생성이 억제될 수 있으므로, 정제공정없이 고품질을 갖도록 형성될 수 있다.
더불어, 상기 탄소나노구조체를 형성한 후 남은 잔여 용매는 추출하여 재활용이 가능하며 이를 통해 폐기물이 발생하지 않는 친환경적 공정이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 광발광(photoluminescence: PL) 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM) 이미지를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 X선 광전자분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체를 포함하는 용액의 분산 이미지를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체를 포함하는 용액의 발광 이미지를 나타내는 사진이다.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 반응 온도에 따른 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체를 포함하는 용액의 반응 온도에 따른 발광 이미지를 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 비교예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 11a 내지 11f는 발명의 다른 구현예에 따라 반응시간에 따른 탄소나노구조체가 분산된 용액의 이미지이다.
도 12는 발명의 다른 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 TEM 이미지를 나타내는 사진이다.
도 13은 본 발명의 다른 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체(좌측) 및 이를 6배 고농축시킨 용액(우측)을 나타낸 사진이다.
도 14는 본 발명의 다른 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체를 완전 건조 시킨 후 측정한 라만 스펙트럼 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15a 내지 15d는 본 발명의 다른 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체를 이용하여 종이 위에 글자를 작성한 후, 발광특성을 관찰한 이미지이다.
본 명세서에서, “유기 용매”란 탄소 원소를 포함하는 분자로 이루어진 용매를 의미한다.
본 명세서에서, “유기 분자”란 유기 용매가 분해되어 형성되는 문자로서탄소(C)를 포함하는 물질을 의미한다.
본 명세서에서 “탄소 전구체”란 복수 개의 유기 분자들이 결합하여 형성한 물질을 의미하는 것으로 입자형태나 분자량이 큰 물질을 의미한다.
본 명세서에서 “탄소나노구조체 핵”이란 복수 개의 상기 유기 분자들이 결합하여 형성된 핵을 의미한다.
본 명세서에서, “탄소나노구조체”란 상기 탄소나노구조체 핵에 상기 유기 분자들이 성장하여 형성된 물질 또는 상기 탄소 전구체의 분해 생성물을 의미한다.
본 명세서에서, “0차원의 구조를 갖는다”는 것은 미세 입자구조를 갖는다는 것을 의미하며, “2차원 구조를 갖는다”는 것은 10장 이하의 평면 시트(sheet)들이 적층된 구조를 갖는다는 것을 의미하며, “3차원의 구조를 갖는다”는 것은 상기 2차원 구조를 갖는 물질이 10층 이상 적층된 상태를 갖는다는 것을 의미한다. 예를 들어, 탄소재료의 관점에서 볼 때 플러렌(fullerene)은 0차원 구조를 갖는다고 할 수 있으며, 그래핀은 2차원 구조를 갖는다고 할 수 있으며, 그라파이트는 3차원 구조를 갖는다고 표현할 수 있다.
본 명세서에서“금속-유기 분자”란 복수 개의 유기 분자들 및 상기 유기 분자에 결합한 금속 및/또는 금속 전구체가 결합하여 형성한 물질을 의미한다.
본 명세서에서 “금속-탄소나노구조체 핵”이란 복수 개의 상기 금속-유기 분자들이 결합하여 형성된 핵을 의미한다.
본 명세서에서 “금속-탄소 전구체”란 복수 개의 금속-유기 분자들이 결합하여 형성한 물질을 의미하는 것으로 입자형태나 분자량이 큰 물질을 의미한다.
본 명세서에서, “금속-탄소나노구조체”란 금속-탄소나노구조체 핵에 상기 금속-유기 분자들이 성장하여 형성된 생성물을 의미한다.
본 명세서에서, “탄소 재료”란 흑연, 탄소나노튜브 등 탄소를 포함하는 물질을 의미한다.
본 명세서에서, “나노”란 0.01 내지 10,000 nm 이내의 크기를 의미한다.
본 명세서에서, “이종원소”란 탄소(C) 이외의 질소(N), 플루오르(F), 산소(O), 인(P), 붕소(B), 황(S), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 등의 원소를 의미한다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.
탄소나노구조체의 형성 방법
본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노구조체의 형성 방법은 반응 용기 내에 유기 용매를 넣고 온도와 압력을 가하여 상기 유기 용매를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성하는 단계; 및 상기 유기 용매가 분해되어 형성된 탄소나노구조체 핵에 상기 복수 개의 유기 분자들이 핵 성장하여 탄소나노구조체를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 각 단계별로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소나노구조체의 형성 방법을 나타내는 개략도이다.
도 1의 상부를 살펴보면, 우선, 반응 용기 내에 유기 용매만을 넣고 온도와 압력을 가해 유기 용매 분자를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성한다(제1단계).
구체적으로, 도 1에 개시된 바와 같이 상기 유기 용매 분자를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성할 수 있다. 이때, 상기 유기 용매 분자가 고리 구조를 갖는 경우 고리 구조가 열리거나 혹은 더 작은 크기의 분자 구조를 갖도록 변형되어 상기 유기 용매 분자와 다른 구조를 갖는 유기 분자가 형성될 수 있다.
도 1에는 한 가지 종류의 유기 분자가 형성되는 것으로 도시되었으나, 상기 유기 용매가 분해되어 생성될 수 있는 물질이라면 이에 제한되지 않고 다양한 종류를 갖는 복수 개의 유기 분자들이 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 극성 용매, 무극성 용매 등을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 유기 용매는 아세톤, 벤젠, N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone: NMP), 디메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide: DMSO)등과 같은 극성 용매를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이밖에 n-헥산, 벤젠, 사염화탄소, 액상 이산화탄소, 이황화탄소 등과 같은 무극성 용매를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 유기 용매는 액체 암모니아 등과 같은 무기용매를 추가적으로 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매가 단순히 분해되어 상기 유기 분자가 형성될 뿐만 아니라 상기 유기 용매 분자의 분해 생성물간의 결합으로도 상기 유기 분자가 형성될 수 있으므로, 상기 유기 분자의 종류는 다양하게 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 용매가 NMP인 경우, 상기 유기 분자의 예로는 메틸-5-옥소-L-프롤리네이트(Methyl 5-oxo-L-prolinate), (1-메틸-5-옥소-2-피롤리딘일)메틸 아세테이트 ((1-Methyl-5-oxo-2-pyrrolidinyl)methyl acetate), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), (2E)-N-하이드록시-4-메틸-3-펜텐-2-이민((2E)-N-Hydroxy-4-methyl-3-penten-2-imine), 1-부틸피롤리딘-2-온(1-Butylpyrrolidin-2-one), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone), (1-에틸-2-피롤리디닐)메탄올(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanol), 1-(1-에틸-2-피롤리디닐)메탄아민(1-(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanamine), 1-[(2R)-1-Ethyl-2-피롤리디닐]메탄아민(1-[(2R)-1-Ethyl-2-pyrrolidinyl]methanamine), (5E)-7-비닐-5-운데센((5E)-7-Vinyl-5-undecene), (2E,9E)-2,9-운데카디엔((2E,9E)-2,9-Undecadiene), N-에틸-1-프로판아민(N-Ethyl-1-propanamine), N-메틸-N-니트로-1-(1-피페리디닐)메탄아민(N-Methyl-N-nitro-1-(1-piperidinyl)methanamine), 3-(2-메틸-1-피페리디닐)-1-프로판아민(3-(2-Methyl-1-piperidinyl)-1-propanamine), 1,5-다이메틸-2-피롤리디논(1,5-Dimethyl-2-pyrrolidinone), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리디논( 1-(2-Hydroxyethyl)-2-pyrrolidinone), 5-메틸-2-옥틸-3(2H)-퓨라논(5-Methyl-2-octyl-3(2H)-furanone), 3-하이드록시-3-페닐프로필 카바메이트(3-Hydroxy-3-phenylpropyl carbamate), 2-하이드록시프로피온산(2-Hydroxypropanoic acid), 4-펜텐-2-올(4-Penten-2-ol), N-(2-아미노에틸)아세트아마이드(N-(2-Aminoethyl)acetamide), N-아세틸-N-메틸아세트아마이드(N-Acetyl-N-methylacetamide, N-에틸포름아마이드(N-Ethylformamide), 1-(3-하이드록시프로필)-2-피롤리디논(1-(3-Hydroxypropyl)-2-pyrrolidinone), 1-에틸-N-(2-폼일페닐)프롤린아마이드(1-Ethyl-N-(2-formylphenyl)prolinamide) 등을 들 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 분자의 종류는 상기 제1단계의 반응 시간, 온도, 압력, 상기 화학 물질의 함량 등의 다양한 조건에 따라 상이하게 생성될 수 있다.
예를 들어, 유기 용매가 NMP이고 상기 제1 단계의 반응 시간에 따른 유기 분자 종류의 생성 결과를 살펴보면 다음과 같다.
NMP를 분해하는 제1단계의 반응시간이 약 2 내지 12시간인 경우, 메틸-5-옥소-L-프롤리네이트(Methyl 5-oxo-L-prolinate), (1-메틸-5-옥소-2-피롤리딘일)메틸 아세테이트 (1-Methyl-5-oxo-2-pyrrolidinyl)methyl acetate), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), (2E)-N-하이드록시-4-메틸-3-펜텐-2-이민((2E)-N-Hydroxy-4-methyl-3-penten-2-imine), 1-부틸피롤리딘-2-온(1-Butylpyrrolidin-2-one), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone), (1-에틸-2-피롤리디닐)메탄올(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanol), 1-(1-에틸-2-피롤리디닐)메탄아민(1-(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanamine), 1-[(2R)-1-Ethyl-2-피롤리디닐]메탄아민(1-[(2R)-1-Ethyl-2-pyrrolidinyl]methanamine), (5E)-7-비닐-5-운데센((5E)-7-Vinyl-5-undecene), (2E,9E)-2,9-운데카디엔((2E,9E)-2,9-Undecadiene), N-에틸-1-프로판아민(N-Ethyl-1-propanamine) 등이 형성될 수 있으며, NMP를 분해하는 제1단계의 반응시간의 약 18시간인 경우, N-메틸-N-니트로-1-(1-피페리디닐)메탄아민(N-Methyl-N-nitro-1-(1-piperidinyl)methanamine), 3-(2-메틸-1-피페리디닐)-1-프로판아민(3-(2-Methyl-1-piperidinyl)-1-propanamine), 1,5-다이메틸-2-피롤리디논(1,5-Dimethyl-2-pyrrolidinone), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리디논( 1-(2-Hydroxyethyl)-2-pyrrolidinone), 5-메틸-2-옥틸-3(2H)-퓨라논(5-Methyl-2-octyl-3(2H)-furanone), 3-하이드록시-3-페닐프로필 카바메이트(3-Hydroxy-3-phenylpropyl carbamate), 2-하이드록시프로피온산(2-Hydroxypropanoic acid), 4-펜텐-2-올(=4-Penten-2-ol) 등이 형성될 수 있다. 또한, NMP를 분해하는 제1단계의 반응시간이 약 36 내지 12시간인 경우, N-(2-아미노에틸)아세트아마이드(N-(2-Aminoethyl)acetamide), N-아세틸-N-메틸아세트아마이드(N-Acetyl-N-methylacetamide, N-에틸포름아마이드(N-Ethylformamide), 1-(3-하이드록시프로필)-2-피롤리디논(1-(3-Hydroxypropyl)-2-pyrrolidinone) 등이 생성될 수 있으며, 약 48시간인 경우 1-에틸-N-(2-폼일페닐)프롤린아마이드(1-Ethyl-N-(2-formylphenyl)prolinamide) 등이 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 분자들이 생성됨과 동시에 상기 유기 용매의 이종원소가 상기 유기 분자들에 도핑될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 분자는 질소(N), 플루오르(F), 산소(O), 인(P), 붕소(B), 황(S), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 등을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상의 이종원소가 도핑된 물질일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 분자를 형성하는 단계는 상기 유기 용매의 기화점 이상의 압력 및 온도 조건에서 수행될 수 있으며, 용매의 종류에 따라 상기 제1단계의 온도 및 압력 조건은 상이할 수 있다.
일반적으로, 상기 제1단계는 40 내지 800℃의 범위의 온도 및 1 내지 500 atm범위의 압력 조건 하에서 수행될 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 용매로서 에탄올이 사용되는 경우, 300℃ 이상의 온도 및 20 atm 이상의 압력에서 제1단계가 수행될 수 있다.
이와 달리, 일부 용매의 경우 상압 조건 하에서 온도만을 조절하여 유기 분자를 형성할 수도 있다.
또한, 상기 제1단계가 진행되는 동안 반응 용기 내에 반응 촉진제로서 산소(O2)가 포함된 기체 또는 화학물질을 지속적으로 첨가할 수 있다. 뿐만 아니라, 후술되는 탄소나노구조체가 형성될 때까지 상기 산소가 포함된 기체 또는 화학물질을 상기 반응 용기 내에 지속적으로 주입할 수 있다.
이후, 복수 개의 상기 유기 분자들을 결합하여 탄소나노구조체 핵을 형성한다(제2단계).
예시적인 구현예에서, 상기 복수 개의 유기 분자들에 일정 수준 이상의 열 및 압력을 가하는 경우, 상기 유기 분자들의 라디칼들이 서로 반응하여 미세입자를 형성할 수 있다. 이후 계속 반응이 진행하여, 상기 미세입자의 크기가 점차 커지고 농도가 증가하여 탄소나노구조체를 형성할 수 있는 핵이 형성될 수 있다. 이하, 상기 탄소나노구조체를 형성할 수 있는 핵을 탄소나노구조체 핵으로 칭하기로 한다.
예시적인 구현예에서, 일반적으로 상기 제2단계의 온도 및 압력 조건은 용매의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 예를 들어, 40 내지 800℃의 범위 내의 온도 및 1 내지 500 atm범위 내의 압력 조건 하에서 수행될 수 있다.
이와 달리, 일부 용매의 경우 상압 조건 하에서 온도만을 조절하여 탄소나노구조체 핵을 형성할 수도 있다.
또한, 예시적인 구현예에서, 상기 유기 분자는 이종원소가 도핑된 것일 수 있으므로, 상기 탄소나노구조체 핵은 이종원소를 포함하도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 탄소나노구조체 핵이 형성될 때 반응에 참여하지 않는 복수 개의 유기 분자가 잔존할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체 핵은 복수 개로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 탄소나노구조체 핵을 중심으로 상기 복수 개의 유기 분자들이 핵 성장하여 상기 탄소나노구조체 핵 및 상기 탄소나노구조체 핵에 결합된 복수 개의 상기 유기 분자들을 포함하는 탄소나노구조체가 형성될 수 있다(제 3단계).
구체적으로, 40 내지 800 ℃ 범위 내의 온도와 1 내지 500 atm 범위 내의 압력 하에서 상기 온도 및 압력을 이용하여 탄소나노구조체를 형성할 수 있다. 상기 제2 단계에서, 상기 탄소나노구조체 핵은 복수 개로 형성될 수 있으므로 상기 탄소나노구조체 역시 복수 개로 형성될 수 있다.
이와 달리, 일부 용매의 경우 상압 조건 하에서 온도만을 조절하여 복수 개의 탄소나노구조체를 형성할 수도 있다.
예시적인 구현예에서, 탄소나노구조체 핵은 이종원소가 도핑되도록 형성될 수 있으므로, 상기 탄소나노구조체 역시 이종원소가 도핑되도록 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체의 수득률은 약 5% 내지 95%일 수 있다.
이때, 상기 탄소나노구조체는 약 0.1 내지 10,000 nm의 크기를 가질 수 있으며, 약 0.1 내지 200 nm의 두께 및 약 1 내지 105 nm2 범위의 면적을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따른 탄소나노구조체의 형성 방법은 반응 용기 내에 유기 용매를 넣고 온도와 압력을 가하여 상기 유기 용매를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성하는 단계; 상기 복수 개의 유기 분자들을 결합시켜 탄소전구체를 형성하는 단계; 및 상기 탄소 전구체를 분해하여 복수 개의 탄소나노구조체를 형성하는 단계; 를 포함한다. 상기 탄소나노구조체의 형성방법에서 유기용매를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성하는 단계는 전술한 탄소나노구조체의 형성 방법과 동일 또는 유사한 구성을 포함하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이하, 각 단계별로 설명한다.
도 1의 하부를 살펴보면, 우선, 반응 용기 내에 유기 용매만을 넣고 상기 유기 용매 내의 유기 용매 분자들을 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성한다(제1단계).
구체적으로, 도 1에 개시된 바와 같이 상기 유기 용매 분자를 분해하여 상기 유기 분자들을 형성할 수 있다. 이때, 상기 유기 용매 분자가 고리 구조를 갖는 경우 고리 구조가 열리거나 혹은 더 작은 크기의 분자 구조를 갖도록 변형되어 상기 유기 용매 분자와 다른 구조를 갖는 유기 분자가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1단계가 진행되는 동안 반응 용기 내에 추가로 산소가 포함된 기체 또는 화학물질을 지속적으로 첨가하여 상기 반응의 반응성을 조절할 수 있다. 뿐만 아니라, 후술되는 탄소나노구조체가 형성될 때까지 산소가 포함된 기체 또는 화학물질을 상기 반응 용기 내에 지속적으로 주입할 수 있다.
이후, 복수 개의 상기 유기 분자를 결합시켜 탄소 전구체를 형성한다(제2단계).
구체적으로, 일정 수준 이상의 열 및 압력을 가하는 경우, 상기 복수 개의 유기 분자들이 무질서하게 결합하여 분자량이 큰 탄소 전구체를 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소 전구체는 200 MW 이상의 분자량을 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 탄소 전구체는 200 MW 내지 1,000,000 MW의 분자량을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄소 전구체는 사슬 구조를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 일반적으로 상기 제2단계의 온도 및 압력 조건은 용매의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 예를 들어, 40 내지 800 ℃의 범위 내의 온도 및 1 내지 500 atm범위 내의 압력 조건 하에서 수행될 수 있다.
이와 달리, 일부 용매의 경우 상압 조건 하에서 온도만을 조절하여 탄소 전구체를 형성할 수도 있다.
또한, 예시적인 구현예에서, 상기 유기 분자는 이종원소가 도핑된 것일 수 있으므로, 상기 탄소 전구체 역시 이종원소가 도핑되도록 형성될 수 있다.
이어서, 상기 탄소 전구체를 분해하여 복수 개의 탄소나노구조체들을 형성한다(제 3단계).
구체적으로, 40 내지 800 ℃ 범위 내의 온도와 1 내지 500 atm 범위 내의 압력 하에서 상기 온도 및 압력을 이용하여 복수 개의 상기 탄소나노구조체를 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 0차원, 2차원 혹은 3차원의 구조를 가질 수 있다. 한편, 상기 탄소나노구조체는 원형 또는 타원 구조를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이 열 및 압력을 가하여 탄소나노구조체를 형성할 수 있으나, 일부 용매의 경우 상압 조건 하에서 온도만을 조절하여 복수 개의 탄소나노구조체를 형성할 수도 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소 전구체는 이종원소가 도핑되도록 형성될 수 있으므로, 상기 탄소 전구체의 분해 생성물인 탄소나노구조체 역시 이종원소가 도핑되도록 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체의 수득률은 약 5% 내지 95%일 수 있다. 또한, 상기 탄소나노구조체는 약 0.1 내지 10,000 nm의 크기를 가질 수 있으며, 약 0.1 내지 200 nm의 두께 및 약 1 내지 105 nm2 범위의 면적을 가질 수 있다.
탄소나노구조체
본 발명의 일 구현예에 따르면, 유기 용매의 분해 생성물인 복수 개의 유기 분자들을 포함하는 탄소나노구조체가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 탄소나노구조체 핵 및 상기 탄소나노구조체 핵에 결합되어 성장된 복수 개의 상기 유기 분자들로 이루어지며, 이때, 상기 탄소나노구조체 핵은 상기 유기 분자의 결합물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 극성 용매, 무극성 용매 등을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 유기 용매는 아세톤, 벤젠, NMP, DMF, DMSO 등과 같은 극성 용매를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이밖에 n-헥산, 벤젠, 사염화탄소, 액상 이산화탄소, 이황화탄소 등과 같은 무극성 용매를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 유기 용매는 액체 암모니아 등과 같은 무기용매를 추가적으로 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 용매가 NMP인 경우, 상기 유기 분자의 예로는 메틸-5-옥소-L-프롤리네이트(Methyl 5-oxo-L-prolinate), (1-메틸-5-옥소-2-피롤리딘일)메틸 아세테이트 (1-Methyl-5-oxo-2-pyrrolidinyl)methyl acetate), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), (2E)-N-하이드록시-4-메틸-3-펜텐-2-이민((2E)-N-Hydroxy-4-methyl-3-penten-2-imine), 1-부틸피롤리딘-2-온(1-Butylpyrrolidin-2-one), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone), (1-에틸-2-피롤리디닐)메탄올(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanol), 1-(1-에틸-2-피롤리디닐)메탄아민(1-(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanamine), 1-[(2R)-1-Ethyl-2-피롤리디닐]메탄아민(1-[(2R)-1-Ethyl-2-pyrrolidinyl]methanamine), (5E)-7-비닐-5-운데센((5E)-7-Vinyl-5-undecene), (2E,9E)-2,9-운데카디엔((2E,9E)-2,9-Undecadiene), N-에틸-1-프로판아민(N-Ethyl-1-propanamine), N-메틸-N-니트로-1-(1-피페리디닐)메탄아민(N-Methyl-N-nitro-1-(1-piperidinyl)methanamine), 3-(2-메틸-1-피페리디닐)-1-프로판아민(3-(2-Methyl-1-piperidinyl)-1-propanamine), 1,5-다이메틸-2-피롤리디논(1,5-Dimethyl-2-pyrrolidinone), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리디논( 1-(2-Hydroxyethyl)-2-pyrrolidinone), 5-메틸-2-옥틸-3(2H)-퓨라논(5-Methyl-2-octyl-3(2H)-furanone), 3-하이드록시-3-페닐프로필 카바메이트(3-Hydroxy-3-phenylpropyl carbamate), 2-하이드록시프로피온산(2-Hydroxypropanoic acid), 4-펜텐-2-올(=4-Penten-2-ol), N-(2-아미노에틸)아세트아마이드(N-(2-Aminoethyl)acetamide), N-아세틸-N-메틸아세트아마이드(N-Acetyl-N-methylacetamide, N-에틸포름아마이드(N-Ethylformamide), 1-(3-하이드록시프로필)-2-피롤리디논(1-(3-Hydroxypropyl)-2-pyrrolidinone), 1-에틸-N-(2-폼일페닐)프롤린아마이드(1-Ethyl-N-(2-formylphenyl)prolinamide) 등을 들 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 분자는 질소, 산소, 황, 염소, 등을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 이종원소를 포함하거나, 상기 이종원소가 도핑된 물질일 수 있다. 이에 따라, 상기 유기 분자를 이용하여 제조된 상기 탄소나노구조체는 상기 이종원소로 도핑된 물질일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 복수 개의 상기 유기 분자들에 일정 온도와 압력을 가하여 상기 유기 분자들을 결합시켜 탄소나노구조체 핵을 형성할 수 있다.
또한, 상기 유기 분자는 다양한 종류를 가질 수 있으므로, 다양한 종류의 탄소나노구조체 핵들이 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 복수 개의 상기 유기 분자들이 서로 반응하여 복수 개의 탄소나노구조체 핵들을 형성될 수 있으며, 상기 복수 개의 탄소나노구조체 핵은 서로 다른 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 탄소나노구조체는 상기 탄소나노구조체 핵에 복수 개의 유기 분자들이 결합하여 핵 성장한 생성물일 수 있다. 즉, 상기 탄소나노구조체 핵에 상기 유기 분자들이 지속적으로 결합하여 서로 균일한 크기를 갖는 복수 개의 탄소나노구조체를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 탄소 전구체의 분해 생성물로서, 0차원, 2차원 혹은 3차원의 구조를 갖는 탄소나노구조체가 제공될 수 있다. 이때 탄소 전구체는 상기 유기 분자들의 결합물일 수 있다.
한편, 상기 탄소 전구체는 상기 유기 분자들이 무질서하게 결합된 고 분자량의 물질일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄소 전구체는 200 MW 이상의 분자량을 가질 수 있으며, 바람직하게는 200 MW 내지 1,000,000 MW 사이의 분자량을 가질 수 있다.
이 경우, 상기 탄소나노구조체는 상기 탄소 전구체의 분해 생성물이며, 상기 탄소 전구체의 분해 단계에서 상기 탄소 전구체는 서로 균일한 크기를 갖는 복수 개의 탄소나노구조체들로 분해될 수 있다. 이에 따라, 상기 복수 개의 탄소나노구조체들은 서로 균일한 크기를 가지도록 분해될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 약 0.1 내지 10,000 nm 범위 내의 크기를 가질 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 탄소나노구조체는 100 nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 또한, 상기 크기 범위가 균일하여 항공, 기계, 발광물질, 발암 제거재, 유해화학물질 제거재, 흡착재 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 탄소나노구조체는 0.001mg/ml 내지 10,000 mg/ml 농도로 분산될 수 있어 분산성이 매우 우수 할 수 있으며, 보다 바람직하게는10mg/ml 내지 200 mg/ml 농도로 분산될 수 있다.
특히, 총 용매의 중량에 대해 50 중량부가 포함되는 경우에는 약 1개월 이상 극성 유기용매, 무극성 유기용매, 무기용매 등 다양한 용매에 분산될 수 있어, 다양한 종류의 전자 소자 및 복합소재의 필러로 활용될 수 있다.
예를 들어, 상기 유기용매가 NMP인 경우, 이를 이용하여 제조된 탄소나노구조체는 NMP, 물, 에탄올 등에 분산이 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노구조체는 분해되는 용매의 특성에 따라 다양한 특성을 갖도록 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 용매가 벤젠인 경우 고 결정성을 갖는 탄소나노구조체가 형성될 수 있으며, 상기 용매가 NMP인 경우 질소, 산소 등이 도핑된 탄소나노구조체가 형성될 수 있다. 또한, 상기 용매가 DMSO인 경우 황이 도핑된 탄소나노구조체가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소나노구조체는 투명전극, 유기발광소자(OLED), 유기태양전지(OPV) 등의 전자소자의 전극 또는 반도체 재료, 연료전지, 배터리, 슈퍼캐패시터 등의 에너지 소자의 전극으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 발광물질, 발암 등의 유해화학물질 제거재, 흡착재,복합소재의 필러 등 다양한 분야에 사용될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노구조체는 도핑된 이종원소의 종류에 따라 다양한 특성을 보일 수 있어 이를 다양한 분야에 적용할 수 있다.
더불어, 상기 유기 용매에서 생성된 상기 탄소나노구조체는 용매에 고농도로 장시간 분산되어 있을 수 있어 분산성이 용이할 수 있다. 또한, 상기 탄소나노구조체는 서로 다른 용매에 대한 재사용이 가능하여, 용액에 분산되어 있는 탄소나노구조체를 파우더 상태로 완전히 건조시킨 후, 이를 다를 용매에 분산시키는 경우 우수한 분산성을 보일 수 있다.
금속-탄소나노구조체 및 금속-탄소나노구조체의 형성방법
금속-탄소나노구조체의 제조방법은 전술한 탄소나노구조체의 제조방법과 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
우선, 반응 용기 내에 유기 용매, 금속 또는 금속 전구체를 넣고 온도와 압력을 가하여 유기 용매 내의 유기 용매 분자와 상기 유기 용매에 용해된 금속 또는 금속 전구체를 분해하여 금속-유기 분자를 형성한다(제1단계).
예시적인 구현예에서, 상기 금속 또는 금속 전구체와 유기분자와의 결합력을 높이기 위해 환원 기체 또는 환원재를 추가로 주입할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매에 용해된 금속 또는 금속 전구체를 분해할 때 반응성을 향상시키기 위한 반응 촉진제로서, 산소(O2)를 포함하는 화학 물질을 넣을 수 있으며, 이 경우 상기 화학 물질은 기체 상(phase)을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 또는 금속 전구체는 상기 유기 용매 내에서 이온 형태로 녹아있을 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pd), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 스트론튬(Sr), 세슘(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm) 및 레늄(Re)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 전이 금속 또는 이들을 하나 이상 포함하는 합금일 수 있다. 이와 달리, 상기 금속은 마그네슘(Mg), 붕소(B) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 비전이 금속 또는 이들을 하나 이상 포함하는 합금을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 금속 전구체는 금속 염화물, 금속 질화물, 금속질화물, 철 아세틸아세토네이트(Iron acetlyacetonate) 및 페로센(ferrocene)으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 금속 염화물은 예를 들어, CuCl2, CoCl2, OsCl3, CrCl3, (NH3)6RuCl3, FeCl3, NiCl2, PdCl2, RuCl3, H2PtCl6 등을 포함할 수 있으며, 금속 질화물은 예를 들어, Pd(NO3)2, (NH3)4Pt(NO3)2, Fe(NO3)3, Ni(NO3)2 등을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 또는 금속 전구체 및 유기 용매가 제1단계로 인해 분해 될 때, 상기 유기 용매 내의 유기 용매 분자는 (+)를 띄고, 상기 용매 내에서 용해된 금속 또는 금속 전구체의 분해물은 (-)를 띄게 된다. 즉, 상기 금속 또는 금속 전구체의 분해물 및 상기 유기 용매 분자의 분해물은 서로 다른 극성을 띌 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 또는 금속 전구체의 분해물 및 상기 유기 용매 분자의 분해물이 서로 결합하여 복합체를 형성할 수 있다. 이하, 상기 금속 또는 금속 전구체의 분해물 및 상기 유기 용매 분자의 분해물이 서로 결합하여 형성된 복합체를 금속-유기 분자로 칭한다.
또한, 이때 상기 유기 용매의 유기 용매 분자만도 제1단계를 통해 분해되어 금속 또는 금속 전구체와 결합하지 않은 유기 분자가 형성될 수도 있다.
한편, 상기 제1단계가 진행되는 동안 반응 용기 내에 반응 촉진제로서 산소(O2)가 포함된 기체 또는 화학물질을 지속적으로 첨가할 수 있다. 뿐만 아니라, 후술되는 금속-탄소나노구조체가 형성될 때까지 상기 산소가 포함된 기체 또는 화학물질을 상기 반응 용기 내에 지속적으로 주입할 수 있다.
이어서, 상기 금속-유기 분자를 이용하여 금속-탄소나노구조체 핵 및/또는 금속-탄소 전구체를 형성한다(제2단계).
예시적인 구현예에서, 상기 복수 개의 금속-유기 분자에 일정 수준 이상의 열과 압력을 가하는 경우, 상기 금속-유기 분자들의 라디칼들이 서로 반응하여 미세입자를 형성할 수 있다. 이후 계속 반응이 진행하여, 상기 미세입자가 점차 커지고 농도가 증가하여 금속-탄소나노구조체를 형성할 수 있는 금소-탄소나노구조체 핵이 형성될 수 있다.
한편, 상기 금속-유기 분자들 및/또는 유기분자들이 무질서하게 결합하여 분자량이 큰 금속-탄소 전구체를 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 일반적으로 상기 단계의 온도 및 압력 조건은 용매의 종류에 따라 상이할 수 있으나, 일반적으로, 상기 단계는 40 내지 800 ℃의 범위의 온도 및 1 내지 500 atm범위의 압력 조건 하에서 수행될 수 있다. 이와 달리, 일부 용매의 경우 상압 조건 하에서 온도만을 조절하여 금속-탄소나노구조체 핵 및/또는 금속-탄소 전구체를 형성할 수도 있다.
또한, 이때 금속 또는 금속 전구체를 포함하지 않는 탄소나노구조체 핵 및/또는 탄소 전구체가 형성될 수 있다.
이어서, 상기 금속-탄소나노구조체 핵을 중심으로 상기 복수 개의 금속-유기 분자들이 핵 성장 하거나, 상기 금속-탄소 전구체를 분해하여 복수 개의 금속-탄소나노구조체들을 형성한다.
이에 따라, 복수 개의 금속-탄소나노구조체들 및 탄소나노구조체들을 포함하는 물질이 형성될 수 있다.
상기 방법에 따라 형성된 금속-탄소나노구조체는 전술한 탄소나노구조체의 특성을 모두 가짐과 동시에 금속의 특성을 띌 수 있으므로 보다 다양한 특성을 보일 수 있어 다양한 분야에 사용될 수 있다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
실시예 1
탄소 전구체를 형성하는 유기 용매로 NMP를 사용하였다. NMP를 약70 ml 취하여 가압 및 가열이 가능한 반응기에 넣고 약 300℃로 가열하였으며, 압력은 약 100 기압까지 상승하였다. 상기 온도 및 압력 조건하에서 약 24시간 반응시켜 상기 NMP를 분해하여 복수 개의 유기분자들을 형성한 후, 상기 유기 분자들로부터 복수 개의 탄소나노구조체들을 제조하였다.
실시예 2 내지 5
상기 실시예 1에서 가열 조건만 140℃, 170℃, 200℃ 및 250℃로 달리하여 각각 실시예 2 내지 5에 따른 탄소나노구조체들을 제조하였다.
실시예 6
탄소 전구체를 형성하는 유기 용매로 NMP를 사용하였다. NMP를 약70 ml 취하여 가열이 가능한 반응기에 넣고 상압 조건하에서 약 170 ℃로 가열하였다. 이에 따라 복수 개의 유기분자들을 형성한 후, 상기 유기 분자들로부터 복수 개의 탄소나노구조체들을 제조하였다.
실시예 7
실시예 6에서, NMP를 포함하는 비커에 산소 기체를 반응 진행 내내 투입한다는 점을 제외하고는 동일하게 진행하여 탄소나노구조체들을 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에 따른 탄소나노구조체의 제조 방법에서 유기 용매로 NMP 대신 에탄올을 이용한 것을 제외하고는 동일한 공정으로 제조하여 탄소나노구조체들을 제조하였다.
실험예 1: 탄소나노구조체의 형성 확인 실험
실시예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체가 분산된 용액 및 이를 증발시켜 얻은 분말을 분석하여 도 2에 나타내었다. 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 이종원소를 포함하는 분자가 도핑된 탄소나노구조체의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 이종원소를 포함하는 분자가 도핑된 탄소나노구조체의 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 이종원소를 포함하는 분자가 도핑된 탄소나노구조체의 TEM 이미지를 나타내는 사진이다.
도 2 내지 4를 살펴보면, 유기 용매 분해로 탄소나노구조체의 합성 반응이 진행되어 탄소원자가 6각 고리를 형성하는 그래핀과 유사한 구조를 갖는 것을 확인할 수 있으며, 도 4에 나타난 바와 같이 상기 탄소나노구조체는 균일한 크기를 갖도록 제조됨을 확인할 수 있었다. 또한, 도 3을 살펴보면, 탄소나노구조체가 분산된 용매에 320 nm의 파장을 갖는 레이저를 조사하면 약 450 nm 파장의 파랑색과 하늘색의 빛이 발생함을 확인할 수 있어, 실시예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체가 발광특성이 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 탄소나노구조체의 조성 실험
실시예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체가 분산된 용액 및 이를 증발시켜 얻은 분말의 조성을 분석하여 이를 도 5a 및 5b에 나타내었다.
도 5a 및 5b를 살펴보면, C-N 결합, Pryrrolic-N, Pyridinic-N, Pyridine-N-oxide 등의 결합이 생성됨을 확인할 수 있어 상기 실시예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체는 용매의 분해로 인해 질소가 도핑된 것을 알 수 있다.
실험예 3: 탄소나노구조체의 분산성 및 발광 실험
실시예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체가 분산된 용액에서의 탄소나노구조체의 분산성 및 발광 특성을 실험하여 이를 각각 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6을 살펴보면, 실시예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체는 용액 내에서 매우 균일하게 분산된 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 도 7에 나타난 바와 같이 실시예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체는 어두운 곳에서 우수한 발광특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 4: 온도에 따른 탄소나노구조체의 발광 실험
실시예 1 내지 5에 따라 제조된 탄소나노구조체가 분산된 용액에서의 탄소나노구조체의 발광 특성을 실험하여 도 8a 내지 8d 및 도 9에 나타내었다.
도 8a 내지 8d는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 반응 온도에 따른 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프들이며, 도 9는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 탄소나노구조체를 포함하는 용액의 반응 온도에 따른 발광 이미지를 나타내는 사진이다.
도 8a 내지 8d를 살펴보면, 용매의 가열온도를 증가함에 따라 PL 스펙트럼이 단파장으로 이동하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 온도가 증가함에 따라 용매가 분해되어 다량의 유기분자들이 형성되고 핵 형성과 성장이 균일하게 반응하여 크기가 작은 물질이 형성되기 때문인 것으로 판단된다.
또한, 도 9를 살펴보면, 가열 온도가 증가함에 따라 탄소나노구조체를 포함하는 용액이 파란색을 띠는 것을 확인할 수 있으며, 이는 탄소나노구조체의 크기가 작아졌기 때문인 것으로 판단된다.
실험예 5: 비교예에 따라 제조된 탄소나노구조체의 온도에 따른 발광 실험
비교예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체가 분산된 용액 및 이를 증발시켜 얻은 분말의 PL 특성을 측정하여, 이를 도 10에 나타내었다.
도 10은 비교예 1에 따라 제조된 탄소나노구조체의 반응 온도에 따른 PL 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 10을 비교하여 보면, 에탄올을 사용하여 제조된 탄소나노구조체가 분산된 용액의 PL 스펙트럼(도 10)은 동일한 조건에서 NMP를 용매로 사용하여 탄소나노구조체(도 3)를 제조하였을 때와는 다른 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 용매의 종류에 따라 상이한 구성을 갖는 탄소나노구조체가 형성됨을 확인할 수 있었다.
실험예 6: 산소 투입에 따른 탄소나노구조체의 합성 실험
실시예 6 및 7에 따라 제조되는 탄소나노구조체의 실험에 있어서, 시간경과에 따른 탄소나노구조체의 생성여부를 측정하여 이를 도 11a 내지 도 11h에 나타내었다.
도 11a 내지 도 11f들은 본 발명의 일 구현예들에 따라 제조되는 탄소나노구조체의 합성 실험을 관찰한 결과를 나타내는 사진들이다. 도 12는 실시예 7에 따라 제조된 탄소나노구조체의 TEM 사진이다.
도 11a 내지 도11f를 살펴보면, NMP를 반응용기에 넣고 170℃로 가열하여도 NMP 용액의 색이 붉은색으로 변화함을 확인할 수 있었다. 이에 따라 상압조건 하에서도 탄소나노구조체가 형성됨을 확인할 수 있었다.
뿐만 아니라, 산소기체를 반응이 진행하는 동안 계속 주입하는 경우(도 11a 내지 도 11f의 우측 사진들 및 도 12)에도 탄소나노구조체가 형성되며, 이의 형성 반응이 보다 빨리 진행됨을 확인할 수 있었다.
실험예 7: 건조된 탄소나노구조체의 결정성 실험
실시예 6에 따라 제조된 탄소나노구조체를 6배로 농축시켜, 이를 포함하는 용액 내에서의 탄소 입자의 침전여부를 확인하였다. 이후, 이를 완전건조시켜 라만 스펙트럼을 측정하였다.
도 13은 실시예 6에 따라 제조된 탄소나노구조체(좌측) 및 이를 6배로 농축시킨 용액을 나타낸 사진이다. 도14는 실시예 6에 따라 제조된 탄소나노구조체를 완전 건조 시킨 후 측정한 라만 스펙트럼 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13을 살펴보면, NMP에 탄소나노구조체가 형성된 용액을 6배로 농축시켰을 때, 용액 내에 침전되는 탄소입자가 관찰되지 않음을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 이와 같은 특성을 이용하여 고함침용 필러나 고전도성 잉크로 용용가능함을 확인할 수 있었다.
또한, 도14를 살펴보면, 높은 G피크인 그라파이트 피크가 관찰될 뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 D피크인 비정질 피크가 관찰됨을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 형성되는 탄소 입자가 10 내지 20 nm로 매우 작은 사이즈를 가짐에도 불구하고, 결정성이 우수하여 높은 G피크를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 8: 탄소나노구조체의 발광성 실험
실시예 6에 따라 제조된 탄소나노구조체를 이용하여 종이 위에 글자를 작성한 후, 발광특성을 관찰하고 이를 도 15a 내지 15d에 나타내었다.
구체적으로, 도 15a는 탄소나노구조체를 물에 분산하여 붓으로 글씨를 쓴 이미지이며, 도 15b는 물을 완전히 건조시킨 후의 이미지이다. 도 15c와 15d는 각각 365 와 254 nm의 파장을 갖는 UV 램프로 발광특성을 관찰한 이미지이다.
도 15a 내지 15d를 살펴보면, 실시예 6에 따라 제조된 탄소나노구조체는 우수한 발광성을 보임을 확인할 수 있었다.

Claims (22)

  1. 탄소나노구조체로서,
    상기 탄소나노구조체는 유기 용매의 분해 생성물인 복수 개의 유기 분자들을 포함하고,
    상기 유기 용매는 아세톤, N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide: DMSO), n-헥산, 사염화탄소, 액상 이산화탄소 및 이황화탄소로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 탄소나노구조체는 질소(N) 및 산소(O)의 이종원소가 도핑된 것인 탄소나노구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 탄소나노구조체 핵 및 상기 탄소나노구조체 핵에 결합되어 성장된 복수 개의 상기 유기 분자들로 이루어지며,
    상기 탄소나노구조체 핵은 상기 유기 분자의 결합물인 탄소나노구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 탄소 전구체의 분해 생성물으로서 0차원, 2차원 또는 3차원의 구조를 가지고,
    상기 탄소 전구체는 상기 유기 분자들의 결합물인 탄소나노구조체.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 용매는 액체 암모니아를 더 포함하는 탄소나노구조체.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 이종원소는 플루오르(F), 인(P), 붕소(B), 황(S), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 탄소나노구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유기 용매는 금속 또는 금속 전구체를 더 포함하며,
    상기 유기 분자들은 상기 금속 또는 금속 전구체의 분해 생성물과 상기 유기 용매의 분해 생성물이 결합되어 형성된 금속-유기 분자들인 특징으로 하는 탄소나노구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 금속-탄소나노구조체 핵 및 상기 금속-탄소나노구조체 핵에 결합되어 성장된 상기 금속-유기 분자들로 이루어지며,
    상기 금속-탄소나노구조체 핵은 상기 금속-유기 분자들의 결합물인 탄소나노구조체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 금속-탄소 전구체의 분해 생성물이고,
    상기 금속-탄소 전구체는 상기 금속-유기 분자들의 결합물인 탄소나노구조체.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 금속은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pd), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 스트론튬(Sr), 세슘(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 레늄(Re), 마그네슘(Mg), 붕소(B) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상이고,
    상기 금속 전구체는 CuCl2, CoCl2, OsCl3, CrCl3, (NH3)6RuCl3, FeCl3, NiCl2, PdCl2, RuCl3, H2PtCl6, Pd(NO3)2, (NH3)4Pt(NO3)2, Fe(NO3)3, Ni(NO3)2, 철 아세틸아세토네이트(Iron acetlyacetonate), 페로센(ferrocene)및 Pt(acac)2 로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상인 탄소나노구조체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 NMP이고,
    상기 유기 분자는 메틸-5-옥소-L-프롤리네이트(Methyl 5-oxo-L-prolinate), (1-메틸-5-옥소-2-피롤리딘일)메틸 아세테이트 (1-Methyl-5-oxo-2-pyrrolidinyl)methyl acetate), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), (2E)-N-하이드록시-4-메틸-3-펜텐-2-이민((2E)-N-Hydroxy-4-methyl-3-penten-2-imine), 1-부틸피롤리딘-2-온(1-Butylpyrrolidin-2-one), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone), (1-에틸-2-피롤리디닐)메탄올(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanol), 1-(1-에틸-2-피롤리디닐)메탄아민(1-(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanamine), 1-[(2R)-1-Ethyl-2-피롤리디닐]메탄아민(1-[(2R)-1-Ethyl-2-pyrrolidinyl]methanamine), (5E)-7-비닐-5-운데센((5E)-7-Vinyl-5-undecene), (2E,9E)-2,9-운데카디엔((2E,9E)-2,9-Undecadiene), N-에틸-1-프로판아민(N-Ethyl-1-propanamine), N-메틸-N-니트로-1-(1-피페리디닐)메탄아민(N-Methyl-N-nitro-1-(1-piperidinyl)methanamine), 3-(2-메틸-1-피페리디닐)-1-프로판아민(3-(2-Methyl-1-piperidinyl)-1-propanamine), 1,5-다이메틸-2-피롤리디논(1,5-Dimethyl-2-pyrrolidinone), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리디논( 1-(2-Hydroxyethyl)-2-pyrrolidinone), 5-메틸-2-옥틸-3(2H)-퓨라논(5-Methyl-2-octyl-3(2H)-furanone), 3-하이드록시-3-페닐프로필 카바메이트(3-Hydroxy-3-phenylpropyl carbamate), 2-하이드록시프로피온산(2-Hydroxypropanoic acid), 4-펜텐-2-올(=4-Penten-2-ol), N-(2-아미노에틸)아세트아마이드(N-(2-Aminoethyl)acetamide), N-아세틸-N-메틸아세트아마이드(N-Acetyl-N-methylacetamide, N-에틸포름아마이드(N-Ethylformamide), 1-(3-하이드록시프로필)-2-피롤리디논(1-(3-Hydroxypropyl)-2-pyrrolidinone) 및 1-에틸-N-(2-폼일페닐)프롤린아마이드(1-Ethyl-N-(2-formylphenyl)prolinamide)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 탄소나노구조체.
  13. 반응 용기 내에 유기 용매를 넣고 온도와 압력을 가하여 상기 유기 용매를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성하는 단계;
    상기 유기 분자들을 결합시켜 탄소나노구조체 핵을 형성하는 단계; 및
    상기 유기 분자들을 상기 탄소나노구조체 핵에 결합시키고 핵 성장시켜 탄소나노구조체를 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 유기 용매는 아세톤, N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide: DMSO), n-헥산, 사염화탄소, 액상 이산화탄소 및 이황화탄소로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 탄소나노구조체는 질소(N) 및 산소(O)의 이종원소가 도핑된 것이고,
    반응 촉진제로서 산소(O2)가 포함된 기체 또는 화학물질을 상기 반응 용기 내에 주입하는 것을 포함하는 탄소나노구조체의 형성 방법.
  14. 반응 용기 내에 유기 용매를 넣고 온도와 압력을 가하여 상기 유기 용매를 분해하여 복수 개의 유기 분자들을 형성하는 단계;
    상기 유기 분자들을 결합시켜 탄소전구체를 형성하는 단계; 및
    상기 탄소 전구체를 분해하여 0차원, 2 차원 또는 3차원 구조를 갖는 복수 개의 탄소나노구조체를 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 유기 용매는 아세톤, N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone: NMP), 메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF), 디메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide: DMSO), n-헥산, 사염화탄소, 액상 이산화탄소 및 이황화탄소로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 탄소나노구조체는 질소(N) 및 산소(O)의 이종원소가 도핑된 것이고,
    반응 촉진제로서 산소(O2)가 포함된 기체 또는 화학물질을 상기 반응 용기 내에 주입하는 것을 포함하는 탄소나노구조체의 형성 방법.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 복수 개의 유기 분자들을 형성할 때, 상기 온도는 40 내지 800 ℃의 범위 내이고, 상기 압력은 1 내지 500 atm의 범위 내인 탄소나노구조체의 형성 방법.
  16. 삭제
  17. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 복수 개의 유기 분자들을 형성할 때,
    상기 용매는 NMP이고,
    상기 유기 분자는 메틸-5-옥소-L-프롤리네이트(Methyl 5-oxo-L-prolinate), (1-메틸-5-옥소-2-피롤리딘일)메틸 아세테이트 (1-Methyl-5-oxo-2-pyrrolidinyl)methyl acetate), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), 5-(하이드록시메틸)-1-메틸-2-피롤리디논(5-(Hydroxymethyl)-1-methyl-2-pyrrolidinone), (2E)-N-하이드록시-4-메틸-3-펜텐-2-이민((2E)-N-Hydroxy-4-methyl-3-penten-2-imine), 1-부틸피롤리딘-2-온(1-Butylpyrrolidin-2-one), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone), (1-에틸-2-피롤리디닐)메탄올(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanol), 1-(1-에틸-2-피롤리디닐)메탄아민(1-(1-Ethyl-2-pyrrolidinyl)methanamine), 1-[(2R)-1-Ethyl-2-피롤리디닐]메탄아민(1-[(2R)-1-Ethyl-2-pyrrolidinyl]methanamine), (5E)-7-비닐-5-운데센((5E)-7-Vinyl-5-undecene), (2E,9E)-2,9-운데카디엔((2E,9E)-2,9-Undecadiene), N-에틸-1-프로판아민(N-Ethyl-1-propanamine), N-메틸-N-니트로-1-(1-피페리디닐)메탄아민(N-Methyl-N-nitro-1-(1-piperidinyl)methanamine), 3-(2-메틸-1-피페리디닐)-1-프로판아민(3-(2-Methyl-1-piperidinyl)-1-propanamine), 1,5-다이메틸-2-피롤리디논(1,5-Dimethyl-2-pyrrolidinone), (2S)-2-(메톡시메틸)-1-피롤리딘카르발데하이드((2S)-2-(Methoxymethyl)-1-pyrrolidinecarbaldehyde), 1-(2-하이드록시에틸)-2-피롤리디논( 1-(2-Hydroxyethyl)-2-pyrrolidinone), 5-메틸-2-옥틸-3(2H)-퓨라논(5-Methyl-2-octyl-3(2H)-furanone), 3-하이드록시-3-페닐프로필 카바메이트(3-Hydroxy-3-phenylpropyl carbamate), 2-하이드록시프로피온산(2-Hydroxypropanoic acid), 4-펜텐-2-올(=4-Penten-2-ol), N-(2-아미노에틸)아세트아마이드(N-(2-Aminoethyl)acetamide), N-아세틸-N-메틸아세트아마이드(N-Acetyl-N-methylacetamide, N-에틸포름아마이드(N-Ethylformamide), 1-(3-하이드록시프로필)-2-피롤리디논(1-(3-Hydroxypropyl)-2-pyrrolidinone) 및 1-에틸-N-(2-폼일페닐)프롤린아마이드(1-Ethyl-N-(2-formylphenyl)prolinamide)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상인 것인 탄소나노구조체의 형성 방법.
  18. 삭제
  19. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체의 수득률은 5% 내지 95%인 탄소나노구조체의 형성 방법.
  20. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 0.001 mg/ml 내지 10,000 mg/ml의 농도로 분산되는 탄소나노구조체의 형성 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 10 mg/ml 내지 200 mg/ml 의 농도로 분산되는 탄소나노구조체의 형성 방법.
  22. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 0.1 내지 10,000 nm 범위 내의 크기를 갖는 탄소나노구조체의 형성 방법.
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