KR20190113887A - 도핑된 탄소 나노물질을 생산하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

도핑된 탄소 나노물질을 생산하기 위한 시스템 및 공정이 개시되어 있다. 도핑 성분을 포함하는 카보네이트 전해질은 셀 내에 함유된 카보네이트 전해질 속에 침지된 애노드와 캐소드 사이에서 전기분해 동안 제공된다. 카보네이트 전해질은 용융된 상태로 가열된다. 전류는 애노드 및 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 배치된 용융된 카보네이트 전해질에 인가된다. 형태 원소는 탄소 나노튜브, 대 그래핀 대 탄소 나노-어니언 대 중공 탄소 나노-구체 나노물질 생성물을 최대화한다. 수득되는 탄소 나노물질 성장은 셀의 캐소드로부터 수집된다.

Description

도핑된 탄소 나노물질을 생산하기 위한 방법 및 시스템

저작권

본 특허 서류의 개시내용의 일부는 저작권 보호의 대상인 물질을 포함한다. 저작권 소유자는 특허 상표청의 특허 파일 또는 기록에 나타나 있으므로, 다른 사람에 의한 특허 개시내용의 팩스 복제에 대해 이의제기를 하지 않지만, 그외에는 전적으로 모든 저작권을 보유한다.

우선권

본 출원은 2017년 2월 21일자로 출원된, 미국 가특허원 제62/461,641호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 이의 전문이 본원에 참고로 포함된다.

기술 분야

본 발명은 일반적으로 도핑된 탄소 나노물질(doped carbon nanomaterial)의 생산, 및 구체적으로 용융된 카보네이트 전해질로부터 도핑된 탄소 나노물질을 생산하는 것에 관한 것이다.

1985년에 개시된 특이한 탄소 나노유효범위 구조, 예컨대, 풀러린(fullerene), 나노튜브, 및 나노-섬유의 인식 전에, 수산화물 및 염화바륨/탄산바륨 용융물로부터 무기 용융된 전해질 속에서 카보네이트의 (거시적인) 탄소로의 환원은 1800년대 말과 같이 일찍이 인식되었다. 오늘날, 탄소 도핑된 나노물질 제조의 기본 방법은 탄소 기재의 아크 방전, 레이저 절제(laser ablation), 및 촉매적 열 화학 증착(chemical vapor deposition: CVD) 성장이다. 이러한 탄소 나노물질의 도핑(doping)은 유리한 특성을 제공할 수 있으며, 이는 탄소 나노튜브 생성물에 대해 주로 연구되어 왔다. 이러한 기술은 비용이 많이 들고, 대규모로 시행하기가 어려우며, 도핑된 탄소 나노튜브의 높은 현재 원가를 야기한다. 관련된 그래핀 및 탄소 나노-어니언 구조(carbon nano-onion structure)는 이러한 방법론으로 합성하기에는 비용이 훨씬 더 든다.

다양한 CVD 도핑된 탄소 나노튜브는 고 전기 전도도, 촉매작용, 중금속 제거, 향상된 산소 역학 및 개선된 축전(charge storage)을 포함하는 특수하고, 유용한 특성을 가질 수 있다. 황-도핑된 탄소는 불균일 촉매작용, 흡착(sorption), 및 에너지 전환 및 저장을 포함하는 잠재적 응용의 범위를 갖는다. 그러나, 지금까지, 황을 탄소 매트릭스로 고유하게 배합시키기 위한 시도는 거의 개발되지 않아 왔다. N-도핑된 탄소는 0₂ 산화 및 환원, 연료 전지 촉매, 슈퍼커패시터(supercapacitor), 및 센서를 포함하는, 잠재적 응용의 범위를 갖는다. 붕소-도핑은 금속성 탄소 나노튜브의 생산 및 탄소 나노튜브의 전도성을 향상시키기 위해 잘 알려져 있다. 유사하게, 탄소의 P-도핑은 호기성 산화 촉매, 배터리 및 초 민감성 센서로서 감소된 연신 파괴(elongation fracturing)를 포함하는 이들의 특성 및 응용에 크게 영향을 미칠 수 있다. 붕소 및 질소는 탄소에 대한 크기(및 원자 번호)에 있어서의 이들의 근접성으로 인하여 가장 잘 연구된 탄소 도판트(dopant)이었다.

탄소 나노물질은 강화된 복합재, 커패시터, 리튬-이온 배터리, 나노전자공학, 및 촉매로부터, 이들의 특징적인 우수한 강도, 전기 및 열 전도성, 가요성(flexibility) 및 내구성으로 인하여, 경량의, 고 강도 건축 재료의 주요 구성성분까지 범위의 응용 분야로, 물적 자원으로서 큰 잠재력을 가진다. 화학 증착, 또는 아크 방전을 사용한 유기-금속 반응물은 중요한 가치가 있지만, 비용이 많이 드는 탄소 나노물질의 생산 방법이다. 이러한 생산 방법에 의해 고려되는 경우 탄소 나노물질의 도핑은 일반적으로 이러한 비용이 많이 드는 합성후 후속적인 합성 후 처리방법으로서 달성된다. 최근 하나의 혁신은 용융된 전기분해 방법을 사용하여 탄소 나노물질을 생산하는 것이다. 이러한 공정에서, 용융된 카보네이트 전해질은 캐소드(cathode)와 애노드(anode) 사이에 배치되고, 전이 금속 핵화제가 첨가되며, 전기 및 전류는 캐소드에 인가된다. 이러한 공정은 탄소 나노물질을 포함할 수 있는 캐소드에서 1 단계로 및 저 에너지에서 탄소 잔기를 생산한다. 탄소 나노튜브의 용융된 전기분해 생산에 있어서 캐소드는 이러한 탄소 생성물이 부착되어 있는 전극이다.

앞서, 당해 분야의 상태는 용융된 카보네이트 전기분해에 의해 생산된 탄소 나노물질을 도핑하지 않는 것이 고려되었다. 전기분해 동안 도핑 성분을 첨가하는 것이 (단순한) 1-단계 합성에서 도핑된 탄소 나노물질을 생산할 수 있음은 예측하거나 고려하지 않았다. 이러한 가정 뒤의 추론은 도핑의 제어 및 전해 증착의 제어 둘 다가 고도로 구조화되고, 매우 복잡한 활성이라는 것이었다. 따라서, 탄소 나노물질의 도핑 및 전해 성장 둘 다가 700 내지 800℃에서 용융 매질 속에서 상승적으로, 동시에 일어날 수 있다는 것이 결코 고려되지 않아 왔다.

따라서, 일반적으로 용융된 전기분해 방법에 의해 기판 위에 형성될 수 있는 탄소 나노튜브의 유형에 제한이 있다. 도핑되지 않은 탄소 나노물질의 사용에 대한 실질적인 도전은 이들이 강도, 열 전도성, 및 가요성의 예외적인 품질을 유지하지만, 이들은 전기 와이어 교체, 특수 촉매, 중금속 흡착제 및 개선된 산소 또는 축전 물질과 같은 목적한 품질을 차별화할 수 없다는 것이다. 이러한 도핑되지 않은 탄소 나노물질 만으로는 현재의 탄소 나노물질 시장 수요를 확장시킬 후보물이 될 가능성이 거의 없다. 저렴하고, 고 강도 도핑된 탄소 나노물질은 와이어, 촉매 및 전극에 대한 경량 대체재로서 및 이러한 물질에 대한 주요 잠재적인 시장을 구성한다.

따라서, 탄소 나노물질의 유용성을 증가시킬 수 있는, 탄소 나노튜브, 그래핀, 탄소 나노-어니언 및 중공(hollow) 탄소 나노-구체의 생산에 대한 요구가 존재하여 왔다. 따라서, 용융된 카보네이트 전기분해에 의해 생산된 균일한, 도핑된 탄소 나노물질의 결여는 이들의 배치에 대해 고려할만한 과제로 남아있다. CO₂로부터 용융된 카보네이트 탄소 나노튜브 합성으로부터 생산되는 도핑된 탄소 나노물질에 대한 기존의 장벽(barrier)은 극복되고 있는 중이다. 이는 도핑된 탄소 나노물질의 1-포트 용융된 전해질 생산을 허용한다. 이러한 물질은 전자 와이어 교체, 특수 촉매, 중금속 흡착제 또는 개선된 산소 또는 전하 충전 물질로서 차별화된 표적화 품질에 적합하다. 그러나, 도핑된 카보네이트 전기합성된 탄소 나노물질의 생산을 허용하는 탄소 도핑된 원소는 조사되지 않았다.

탄소 나노튜브 생성물을 생산하기 위한 전기분해 방법은 전해질에 대한 도핑 첨가물의 효과의 추정된 결여, 또는 탄소 나노물질이 형성되는 캐소드 또는 산소가 용융된 카보네이트의 탄소 및 산소로의 전기분해적 분열시 형성되는 애노드에 대한 도판트 첨가의 추정된 결여를 전제로 한다. 전기분해 방법은 캐소드가 도판트의 공급원으로서 고려되지 않고, 작용하여 핵생성 부위를 형성할 수 있고, 애노드가 합성 동안 도판트를 제공하기 위한 공급원으로서가 아니라, 전기분해 동안 전기촉매를 생성하는 산소로서 효과적인 안정화 산화물 층을 형성함을 추정한다.

예를 들면, 탄소 나노물질의 성장 속도 및 형태에 영향을 미치는 우세한 전해질 첨가물 만이 관련되어 있다고 앞서 추정하였으므로, 전해질에 대한 결과적인 유일한 첨가제는 전이 금속 염이었으며, 이는 캐소드에서 환원되어 핵화제 및 산화물로서 작용하여 스트레이트 탄소 나노튜브보다는, 얽힌 탄소 나노튜브를 형성한다. 탄소 나노-물질 성장 동안 도판트의 잠재적인 공급원으로서 전해질내에 첨가제 염 또는 가스의 제공은 고려되지 않았다.

따라서, 용융된 카보네이트 물질로부터 도핑된 탄소 나노물질을 생산하는 효율적인 방법이 요구되고 있다. 또한 도핑된 탄소 나노물질, 예를 들면, 탄소 나노튜브, 탄소 나노-어니언, 그래핀, 또는 중공 탄소 나노-구체의 상이한 형태를 선택적으로 생산할 필요가 있으며, 이는 각각 고 강도의, 전도성 윤활제, 고 표면 촉매 및 배터리에서 이온 저장에 특히 유용하다. 또한 용융된 카보네이트 전기분해 동안 탄소 나노물질 형태 및 도핑 둘 다를 제어할 필요성이 존재한다.

요약

하나의 예에 따라서, 도핑된 탄소 나노물질을 생산하는 방법이 개시되어 있다. 카보네이트 전해질은 가열되어 용융된 카보네이트 전해질을 생성한다. 용융된 카보네이트 전해질은 셀(cell) 내에서 애노드와 캐소드 사이에 배치되어 있다. 나노물질 도핑 원소, 예컨대, 황화리튬 또는 S02 가스 첨가제는 셀 전해질 속에 포함된다. 전류는 셀내에서 캐소드 및 애노드에 인가된다. 도핑되거나 도핑되지 않은 나노물질 성장은 셀의 캐소드로부터 수집된다.

다른 예는 도핑되지 않은 탄소 나노-어니언을 생산하는 방법이다. 그래핀, 또는 중공 나노탄소 구체가 개시되어 있다. 카보네이트 전해질은 가열되어 용융된 카보네이트 전해질을 생성한다. 용융된 카보네이트 전해질은 셀 내에서 애노드와 캐소드 사이에 배치된다. 탄소 나노튜브 성장을 촉진하는 전이 금속은 배제되며, 나노물질 형태 선택적인 요소, 예컨대, 첨가된 산화아연, 또는 인가된 AC 전류가 포함된다. 전류는 셀내에서 캐소드와 애노드에 인가된다. 주로 탄소 나노-어니언, 그래핀 플에이틀렛(graphene platelet), 또는 중공 탄소 나노-구체를 함유하는 도핑되지 않는 탄소 나노물질 성장은 셀의 캐소드로부터 수집된다.

다른 예는 탄소 나노물질을 생산하기 위한 시스템이다. 시스템은 전류 공급원을 포함한다. 시스템은 애노드와 캐소드 사이에 용융된 카보네이트 전해질을 보유하는 셀을 포함한다. 탄소 나노물질 도핑 성분은 셀내에 위치한다. 전류 공급원은 셀내 캐소드와 애노드에 전류를 인가하는데 작동성이므로 셀의 캐소드로부터 도핑된 탄소 나노물질 성장을 생성한다.

본 발명의 추가의 양태는 다양한 구현예의 상세한 설명의 측면에서 당해 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이며, 도면을 참고로 이루어지며, 이의 간단한 설명은 하기 제공된다.

도면의 간단한 설명
도 1a는 카보네이트로부터 도핑된 탄소 나노물질을 생산하기 위한 전기분해 시스템의 블록 다이아그램(block diagram)이다;
도 Ib는 탄소 나노튜브 및 그래핀 탄소 형태의 생산을 위한 상이한 기술의 예시적인 다이아그램이다;
도 2a는 생성물의 SEM 영상 및 불활성 Ir 애노드 및 모넬 캐소드(Monel cathode)를 사용하여 측정된 전기분해 전위의 그래프를 나타낸다;
도 2b는 보다 많은 양의 Ni 분말을 770℃ Li₂CO₃ 전해질에 가하는 경우 구리 또는 모넬 애노드를 사용한 탄소 나노튜브 생성물의 SEM 영상을 나타낸다;
도 3a는 모넬 캐소드로부터 벗겨진 생성물을 사용하여 캐소드와 전해질 사이의 계면에서 낮은 Ni 분말/Ir 애노드 조건 하에 생성물 성장의 SEM 영상을 나타낸다;
도 3b는 탄소 나노튜브보다, 플레이틀렛과 같은 나노구조를 핵화제의 부재하에서 입증하고 생성물 성장에 우세한 SEM 영상이다;
도 3c는 핵화제의 부재하에서, 매우 얇은 그래핀 플레이틀렛 및 작은 탄소 입상체(particulate)가 성장됨을 나타내는 SEM 영상이다;
도 4a는 NiChrome 애노드 및 모넬 캐소드를 사용하여 생산된 탄소 나노튜브 및 탄소 나노-어니온의 상이한 SEM 영상을 나타낸다;
도 4b는 나노-어니온 탄소 생성물을 포함하는 나노튜브의 상이한 SEM 영상이 전류 사이클 및 중공 탄소 나노-구체 생성물없이 수득됨을 나타낸다;
도 4c는 산화아연을 770℃ Li₂CO₃ 전해질에 가하는 경우 사이클링없이 수득된 나노-어니언 탄소의 SEM 영상을 나타낸다;
도 5는 붕소 도핑된 탄소 나노튜브 생성물의 SEM 영상을 나타낸다;
도 6은 탄소 나노튜브내 황 또는 인의 각각의 공급원으로서 용해된 Li₂SO₄ 또는 LiPO₃을 함유하는 Li₂CO₃의 전기분해에 의해 형성된 황 및 질소 도핑된 탄소 나노튜브의 SEM 영상을 나타낸다;
도 7a는 카보네이트 전해질이 용융된 카보네이트 전기분해의 최대 속도를 유기하기에 충분한 속도에서 이산화탄소를 흡수할 수 있고 충분한 절연처리로, 용융된 카보네이트 전기합성이 자가 가열되고/되거나 유용한 과도한 열을 생성할 수 있음을 입증하는 실험 데이타의 표이다;
도 7b는 도 7a에서 실험 데이타로부터 유래된 데이타의 플롯을 나타낸다;
도 7c는 열이 적절한 절연으로 용융된 전기분해 체임버(chamber)내에 주로 보유됨을 입증하는 그래프를 나타낸다;
도 7d는 용융된 카보네이트 전기합성이 자가 가열됨을 입증하는 그래프를 나타낸다;
도 8은 탄소 나노튜브, 그래핀, 탄소 나노-어니언 또는 중공 탄소 나노-구체 탄소 나노물질을 포함하는 도핑되거나 도핑되지 않은 탄소 나노튜브 물질에 대한 상승 경로의 개략도이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태에 영향을 받기 쉽지만, 구체적인 구현예가 도면에서 예로 나타나 있으며 본원에 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태에 제한되는 것으로 의도되지 않음을 이해하여야 한다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같이 본 발명의 취지 및 영역내에 속하는 모든 변형, 등가물, 및 대안을 포함하는 것이다.
상세한 설명
본 발명은 많은 상이항 형태로 구현될 수 있다. 대표적인 구현예는 도면에 나타나 있고, 본원에서 상세히 기술될 것이다. 본 개시내용은 본 개시내용의 원리의 예 또는 예시이며, 개시내용의 광범위한 양태를 나타낸 구현예로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 이러한 정도로, 예를 들면, 요약서, 요약, 및 상세한 설명 단락에 개시되어 있지만, 청구범위에 명쾌하게 나타내지 않은 요소 및 제한은 영향, 추론 등에 의해 단독으로 또는 총괄적으로, 청구범위내로 혼입되지 않아야 한다. 본 상세한 설명의 목적을 위해, 구체적으로 부인하지 않는 한, 단수는 복수를 포함하고 복수는 단수를 포함하며; 단어 "포함하는"은 "제한없이 포함하는"을 의미한다. 더욱이, "약", "거의", "실질적으로, "대략 등과 같은 근사치의 단어는 본원에서 예를 들면, "에서, 거의, 또는 에서 거의" 또는 "의 3 내지 5% 이내의", 또는 "허용되는 허용오차 이내" 또는 이의 임의의 논리적 조합"을 의미하는데 사용될 수 있다.
도 1a는 카보네이트 물질로부터 도핑된 탄소 나노물질을 생산하는 예시적인 시스템(100)의 블록 다이아그램이다. 시스템(100)은 카보네이트 용광로(102), 전기분해 체임버(104), 및 수집기(106)를 포함한다. 용광로(102), 전기분해 체임버(104), 및 수집기(106)가 도 1a에 별도의 성분으로 나타나 있지만, 이들은 동일한 물리적 구조내에 있을 수 있음이 이해되어야 한다. 전기분해 체임버(104)는 용광로(102) 속에서 카보네이트를 가열함으로써 생산된 용융된 카보네이트 전해질을 보유하는 체임버(110)(셀)을 포함하며, 탄소 나노튜브, 대 그래핀 대 탄소 나노-어니언 대 중공 탄소 나노-구체 생성물 형성을 최대화하기 위한 형태학 부품(120)을 함유한다. 체임버(110)는 또한 도핑된 대 도핑되지 않은 탄소 나노물질 생성물 형성을 최대화하기 위한 도핑 부품(122)을 함유한다. 애노드(112) 및 캐소드(114)는 분말 공급원(116)에 커플링된다. 애노드(112) 및 캐소드(114)는 체임버(110) 내에 삽입된다. C0₂는 CO₂ 공급원(118)으로부터 용융된 카보네이트 내로 투입된다. CO₂는 선택적으로 용융된 카보네이트 전해질 내로 투입되어 산화물과 반응하며, CO₂가 애노드(112)에서 O₂로 캐소드(114)에서 탄소 나노-물질로 전환되면서 전체 전기분해 반응에 대해 전해질을 소비하기 보다는 재생시키기 위해 용융된 카보네이트 전해질내로 선택적으로 투입된다. CO₂ 투입없이 전해질은 소비되어 이의 수준은 전기분해 반응 동안 떨어진다. CO₂의 투입은 활성(예를 들면, 버블형성)이거나 수동성(공기/전해질 계면에서 가스로부터 직접 용해)이거나, 둘 의 조합(유동된 가스 또는 전해질 혼합)일 수 있다. CO₂ 공급원(118)에 대해 다양한 CO₂ 공급원이 존재할 수 있다.
카보네이트 용광로(102)는 카보네이트 전해질, 예를 들면, 순수한 Li₂C0₃를 각각의 융점으로 가열하여 용융된 카보네이트 전해질을 생산한다. 태양 에너지 또는 통상의 발전소에 의한 것과 같이, 카보네이트 용광로(102)에 전력을 공급하는 다양한 메카니즘이 존재할 수 있다. 전이 금속은 분배기를 통해 가하여 촉매로서 작용하도록 한다. 용융된 카보네이트 전해질은 전기분해 체임버(104) 내에서 애노드(112)와 캐소드(114) 사이에 삽입됨으로써 전기분해에 적용된다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 예시적인 시스템(100)을 사용한 탄소 나노튜브 및 그래핀 탄소 형태를 생산하기 위한 상이한 기술의 예시적인 다이아그램이다. 도 1b는 캐소드(114)에서 탄소 나노튜브 탄소 형태를 생산하는 제1 공정(120) 및 제2 공정(130)을 나타낸다. 도 1b는 캐소드(114)에서 그래핀 탄소 형태를 생산하는 제1 공정 140, 제2 공정 150 및 제3 공정 160을 나타낸다. 공정 120, 130, 140, 150 및 160은 임의의 이론 또는 도 1a에서의 시스템을 사용한 이러한 메카니즘에 얽메이지 않고 나타나 있다. 도 1b에서 공정 120 및 130을 참고로 알 수 있는 바와 같이, 특정의 전이 금속을 사용하는 것과 같은 핵화 씨드(nucleation seed)의 존재하에서, 수득되는 반응은 카보네이트로부터 탄소를 분리하여 핵화 부위로부터 캐소드(114) 상에 탄소 생성물, 예컨대, 탄소 나노튜브를 방치한다. 이러한 성장은 공정 120에 나타낸 바와 같이 팁(tip) 성장 메카니즘으로서 또는 도 1b에서 공정 130에 나타낸 바와 같은 루트 성장 메카니즘(root growth mechanism)으로서 발생한다. 물론, 다른 성장 메카니즘도 가능할 수 있다. 도 1b에서 공정 140, 150 및 160을 참고로 알 수 있는 바와 같이, 특정의 전이 금속 및 펄스된 전기분해 전류를 사용하는 것과 같은 핵화 씨드의 존재의 부재하에서, 수득되는 반응은 카보네이트로부터 탄소를 분리하고 예시된 그래핀 생성물과 같이, 탄소 나노튜브 형태으로 조립하는 탄소 생성물을 형성한다. 제1 공정 140은 비편향(unbiased) 캐소드(114)를 사용한다. 캐소드(114)는 제2 공정 150에서 전방으로 편향될 수 있다. 탄소 나노튜브 형태는 교류의 역 사이클 동안 도 1a에서 공정 160 중 캐소드(114)로부터 밀어진다. 수득되는 탄소 생성물은 수집기(106) 내에 수집되지만 산소는 애노드(112)에서 생산된다. 분리된 탄소 나노물질은 용매로 세정될 수 있거나 상의 고온 분리 또는 여과에 의해 용융된 전해질로부터 분리될 수 있다.
이러한 예에서, 탄소 나노튜브 성장 연장 요소(element)는 애노드(112), 캐소드(114) 및 카보네이트 전극을 보유하는 셀(110)에 첨가된다. 이러한 탄소 나노튜브 성장 연장 요소는 니켈; 구리; 크롬; 철; 황동; 망간; 티탄; 지르코늄; 몰리브덴; 탄탈; 코발트; 규소; 탄소; 및 합금 및 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 핵화 부위로서 작용하기 위한 전이 금속, 예컨대, Ni의 존재하에서, 탄소 나노튜브의 형성 및 성장은 탄산리튬 혼합 용융된 전해질에서 광범위한 조건 하에서 용이하게 발생한다. 전이 금속은 애노드 표면의 초기 안정화 동안, 또는 귀한-유사 산소 애노드, 예컨대, 이리듐이 전해질에 금속 또는 염으로서 가해지는 경우에, 애노드 용해로부터 기원할 수 있다. 하기 설명하는 바와 같이, 탄소 나노튜브 성장 연장 요소는 캐소드 물질, 애노드 물질 또는 전이 금속 또는 전해질에 첨가된 전이 금속의 염일 수 있다. 이러한 예에서, 770℃ 카보네이트 전해질은 Li₂CO₃이고, 전기분해는 0.1 A cm^-2에서 수행되며, 전기분해는 카보네이트 전해질에 초기에 첨가된 1 wt% Ni 금속 분말의 탄소 나노튜브 연장 부품을 포함한다. 캐소드(114)는 모넬 또는 구리 합금으로부터 제작된다.
도 2a는 보다 많은 양의 Ni 분말을 770℃ Li₂CO₃ 전해질에 첨가되는 경우 나노튜브를 형성하는 생성물 형태의 SEM 영상(200)을 나타낸다. 도 2a는 또한 생성물의 그래프(210) 및 공정을 위해 불활성 Ir 애노드 및 모넬 캐소드를 사용하는 것에 대한 측정된 전기분해 전위의 그래프를 나타낸다. 도 2a는 전기분해를 이리듐 애노드를 사용하여 수행하는 경우 SEM 영상(200)에서 탄소 생성물을 나타낸다. 이리듐은 매우 안정하며 전이 금속 핵화 이온을 전해질로 방출할 수 없다. 이러한 경우에서조차, Ni 분말이 캐소드에서 핵화를 유도하기 위해 전해질에 대신 첨가되는 경우, 균일한 탄소 나노튜브 생성물은 SEM 영상(200)에서 관찰된다.
도 2b는 보다 많은 양의 Ni 분말을 770℃ Li₂CO₃ 전해질에 첨가하는 경우 구리 또는 모넬 애노드와의 탄소 나노튜브 생성물의 SEM 영상 (220), (222), (224) 및 (226)을 나타낸다. 영상 (220) 및 (222)는 전해질에 첨가되는 것 대신에 0.5 wt% CoO를 지닌 Ir 애노드를 사용한 Cu 캐소드로부터의 생성물을 나타낸다. 영상 (224)는 1 wt% 첨가된 Ni를 지닌 NiChrome 애노드를 사용한 Cu 캐소드로부터 생성되는 생성물을 나타낸다. 영상 (226)은 1 wt% 첨가된 Ni를 지닌 NiChrome 애노드를 사용한 모넬 캐소드로부터 생성되는 생성물을 나타낸다.
도 2b에서 영상 (220), (222), (224) 및 (226)내 생성물은 이리듐, 애노드 보다는, NiChrome를 사용한 전기분해로부터 생성된다. 생산된 균일한 탄소 나노튜브는 구리 캐소드에서 형성된 짧은 탄소 나노튜브를 나타내는 SEM 영상 (220), (222) 및 (224)에서 발견된다. SEM 영상 (226)은 모넬 캐소드에서 형성된 긴 탄소 나노튜브를 나타낸다. 도 2a의 영상 (220) 및 (222)에 나타난 바와 같이, 심지어 첨가된 Ni 분말의 부재하에서 및 Ir 애노드의 존재하에서, 그러나 첨가된 0.5 wt% CoO의 존재하에서, 전해질에 첨가되는 경우, 균일한 탄소 나노튜브 생성물이 형성된다. 모넬 합금은 니켈 및 구리 및 소량의 철, 망간, 탄소 및 규소의 합금이다. 상이한 카보네이트 전해질, 예컨대, 탄산리튬; 탄산나트륨; 탄산칼륨; 탄산스트론튬; 탄산루비듐; 탄산세슘; 탄산바륨; 및 탄산칼슘을 또한 사용할 수 있다.
도 3a는 모넬 캐소드로부터 벗겨진 생성물을 사용하여 캐소드와 전해질 사이의 계면에서 낮은 Ni 분말/Ir 애노드 조건 하에서 생성물 성장의 SEM 영상 (300) 및 (302)를 나타낸다. 영상 (300)에 나타낸 바와 같이, 샘플은 층(310), 전이 층(312) 및 그래핀 층(314)을 포함한다. 영상 (300) 및 (302)는 0.1 wt% Ni 분말만을 770℃ Li₂C0₃ 전해질에 첨가하여 이리듐 애노드의 사용을 통해 핵화 금속 이용성을 제한하는 경우의 예를 나타낸다. 5 cm² 모넬 캐소드에서 0.1 A cm^-2에서 연장된(48시간) 용융된 카보네이트 CO₂ 전기분해 이후 생성물의 SEM 영상 (300)은 생성물이 얇은, 다층 그래핀으로 이루어져 있음을 나타낸다. 얇은, 다층 그래핀 시이트(sheet)는 이러한 낮은 전기 금속 농도를 이용하여 핵화 부위를 방지하는 전기분해로부터 생산된다. 전기분해는 이리듐 애노드(이는 전이 금속 이온을 전해질로 방출하지 않는다), 전해질에 첨가된 낮은 수준(1wt% 보다는, 0.1 wt%)의 니켈 분말 및 모넬 시이트 캐소드로 추가로 제한된다. 냉각시 생성물은 모넬 캐소드로부터 용이하게 박리되며, SEM 영상(302)는 세정된 생성물을 나타낸다. 박리된 층의 전극 측면은 SEM 영상 (302)의 중간에서 명백하며 나머지 생성물 성장은 이러한 층의 우측에서 발생한다. 나머지 생성물은 다층 그래핀 시이트와 상호혼합된 부분 형성된 탄소 나노튜브의 혼합물로 이루어지며, 핵화 씨딩점(seeding point)을 제한하는 것은 CO₂ 환원 생성물내 탄소 나노튜브와 비교하여 그래핀 형성을 촉진시킨다.
도 3b는 핵화제의 부재하에서, 탄소 나노튜브보다는 나노구조, 예컨대, 플레이틀렛이 생성물 성장에서 두드러짐을 입증하는 SEM 영상 (320), (322), (324) 및 (326)이다. 도 3c는 핵화제의 부재하에서, 매우 얇은 그래핀 플레이틀렛 및 작은 탄소 미립자가 성장되고 있음을 나타내는 SEM 영상 (330), (332), (334) 및 (336)이다. SEM 영상 (330) 및 (332)는 모넬 캐소드로부터 형성된 생성물을 나타내고 SEM 영상 (334) 및 (336)은 강철 캐소드에 의해 형성된 생성물을 나타낸다.
도 3B에서 영상 (320), (322), (324) 및 (326)내 생성물 및 도 3c에서 영상 (330), (332), (334) 및 (336)은 0.1 A cm^-2 전기분해로부터 전이 금속 핵화제가 전기분해 셀로부터 배제되는 경우 탄소 나노튜브 생성물 형태가 형성되지 않음을 나타낸다. SEM 영상(320)에서 생성물은 Ni 애노드를 지닌 Cu 캐소드를 사용하여 생산된다. 연장된 순수한 770℃ Li₂C0₃ 전기분해에서 이러한 공정은 보다 큰 100 cm² 평면 구리 캐소드 및 Ni 애노드를 사용한다. 동일한 전해질에서, SEM 영상 (322)는 강철 캐소드 및 Ir 애노드를 사용한 캐소드 생성물이 전해질에 첨가된 (Ni) 전이 금속 없이 사용됨을 나타낸다. LiNaK 공융 혼합 카보네이트는 카보네이트 융점을 400℃ 이하로 강하시킬 것이다. 탄산칼륨은 탄소 나노튜브 형성을 유의적으로 억제한다. 혼합된 탄산칼륨 전해질을 사용하여 측정된 전기분해 생성물은 증가하는 온도로 증가하는 600℃를 초과하는 전기분해물로부터 비체계적인, 나노구조 특징을 나타내기 시작한다. 그러나, LiNaK 카보네이트는 탄소 나노튜브의 우수한 수율을 형성하는 것으로 관찰되지 않는다. LiNaK에서의 전기분해의 경우, 순수한 Li보다는, 임의의 전기분해 조건 하에서 단지 작은 수율(<15%)의 탄소 나노튜브가 생산된다. SEM 영상(324)은 탄산칼륨 혼합물(Li & Na를 지님) 전해질 속에서 770℃에서 형성된 생성물을 나타낸다. SEM 영상(324)에 나타낸 생성물은 복잡하지만, 다량의 생성물은 ~10 mm 너비까지 관찰된(나타내지 않음), 매우 얇은, 다층 흑연 플레이틀렛으로 구성된다. SEM 영상(326)은 저온에서, 플레이틀렛이 심지어 산화철 및 산화리튬 첨가의 조건 하에서 Li₂C0₃를 생성함을 나타낸다. SEM 영상(326)은 Ni 애노드 및 강철 캐소드를 사용하여 형성된 8 wt% Li₂0 및 0.4 wt% Fe₂0₃를 함유하는 730℃ Li₂CO₃ 내에서 0.1 A cm^-2 전기분해 후 생성물을 나타낸다.
도 3c에서 SEM 영상 (330), (332), (334) 및 (336)에서 알 수 있는 바와 같이, 핵화 금속은 770℃ Li₂C0₃ 전해질에 첨가된 Pt 또는 Ir 애노드 및 거의 첨가되지 않거나 첨가되지 않은 Ni의 사용을 통해 제한되거나 제거되는 경우, 탄소 나노튜브는 관찰되지 않으며, 생성물은 매우 얇은 다중-층 그래핀 시이트로 이루어진다. 전기분해 시간은 0.1 A cm^-2의 고정 전류 밀도에서 이리듐 전극 및 모넬 캐소드를 사용시 0.5 시간이다. 전기분해 시간이 이리듐 전극으로 30분에 제한되는 경우, 생성물은 다른 탄소 나노구조의 부재하에서 균일한 다층 그래핀 시이트이다. 전기분해 전위은 백금 전극의 사용시 낮으며(1.2 V) 후속적으로 0.1 A cm^-2의 작은 탄소 입자에서 강철 캐소드를 사용한 1.5 시간 전기분해는 우세한 탄소 플레이틀렛 생성물과 함께 혼합되므로 SEM 영상 (330)에서 명백하다. 영상 (330)은 0.1 wt%만의 Ni 분말이 770℃ Li₂C0₃ 전해질에 첨가된 이리듐 애노드를 사용함으로써 생성된 생성물을 나타낸다. SEM 영상(332)는 5 cm² 모넬 캐소드에서 0.1 A cm^-2 에서 연장된(48 시간) 용융된 카보네이트 C0₂ 전기분해 후 생성물을 나타낸다. 수득되는 생성물은 얇은, 다층 그래핀으로 이루어진다. SEM 영상 (334) 및 (336)은 제로 니켈 실험으로부터의 생성물을 나타낸다. 핵화 금속이 백금 애노드의 사용을 통해 제거되고, 니켈이 전해질에 첨가되지 않는 경우, 탄소 나노튜브는 관찰되지 않으며 생성물은 SEM 영상 (334) 및 (336)에 의해 나타난 바와 같이 매우 얇은 다층 그래핀 쉬이트 및 작은 탄소 미립자로 이루어진다. 생성물은 5 cm² 강철, 전해질 770℃ Li₂C0₃ 및 0.1 A cm^-2에서 3시간 전기분해에 의해 생산된다.
도 4a는 NiChrome 애노드 및 모넬 캐소드를 사용하는 고정 인가된 0.1 A cm^-2 전기분해 전류를 사용하여 성장한 긴 탄소 나노튜브의 SEM 영상(400)을 나타낸다. 도 4a는 또한 전류의 사이클링의 추가 단계를 사용하는 동일한 조건 하에서 생산된 탄소 나노-어니언의 SEM 영상 (402)를 나타낸다. 도 4a는 또한 탄소 나노튜브 생성물보다는, 영상(402)에서 탄소 나노-어니언을 생산하기 위한 전류의 사이클링을 나타내는 그래프(404)를 포함한다. 따라서, SEM 영상(400)은 24시간 동안 에이징(ageing)된 770℃ Li₂CO₃ 속에서 전기분해된 후(평형화된 전해질을 보증하기 위함), 모넬 캐소드 및 NiChrome 애노드의 침지, 및 0.1 A cm^-2의 인가된 전기분해 전류, 및 1.6V의 측정된 전기분해 전위에 의해 CO₂로부터의 탄소 나노튜브 울(wool) 생성물을 나타낸다. 전극 조성물은 또한 탄소 나노물질 생성물 형태를 제어하는데 사용될 수 있다. 니켈 애노드는 낮은 과전위에서 전기분해를 통해 산소를 생성한다. 안정한 산화니켈 도포층은 전형적으로 충분히 낮은 수준의 Ni²⁺를 전해질내로 방출하여 캐소드 위에 탄소 나노튜브 핵화점을 재증착시킴으로써 전기분해의 처음 수분 동안 발달한다. NiChrome은 보다 높은 과전압(0.1 A cm^-2에서 과전위에 있어서 0.2 V 증가)를 필요로 하는 것으로 관찰되며, 효과적이고, 안정한 애노드로서 또한 작용하지만, 연장된 전기분해 동안 보다 긴 탄소 나노튜브 생성물을 형성하는 것으로 관찰된 전해질내로 니켈 및 크롬 둘 다를 방출한다. 이러한 보다 긴 탄소 나노튜브 또는 "탄소 나노튜브 울"은 나노유효범위의 직경을 유지하지만, 모넬(니켈 구리 합금)이 캐소드로서 강철, 티탄 또는 니켈 대신 사용되는 경우 긴 마크로유효범위(0.2 내지 2 mm)의 길이를 획득하는 반면, 매우 작은 탄소 나노튜브는 구리 캐소드로 합성된다. 도 2b에서 SEM 영상 (220), (222) 및 (224)와 도 2a에서 영상 (226) 및 영상 (200) 및 도 4a에서 SEM 영상 (400)의 비교는 균일하게 생산될 수 있는 탄소 나노튜브 길이에 있어서 매우 큰 다양성을 나타낸다. 따라서, 길이는 100 μm 초과, 또는 1 내지 100 μm 또는 1 μm 미만일 수 있다.
SEM 영상(402)은 전류 그래프(404)에 나타낸 바와 같이 직접적이라기 보다는 변화된 전기분해 전류가 전체적으로 상이한 형태를 지닌 전기분해 생성물을 야기할 수 있음을 나타낸다. 본 실시예에서, 전위를 1.2 V 이하로 유지하고 사이클화하는 것을 제외하고는, 동일한 전기분해 조건을 영상(400)에서 나타낸 생성물을 생산하기 위한 것으로서 사용하는 경우, 캐소드 생성물은 긴 탄소 나노튜브 형태라기보다는 오히려 영상(402)에 의해 나타낸 관찰된 탄소 "니노-어니언"을 나타낸다. 관찰된 "나노-어니언 탄소 형태는 낮은 전위로 제한하고 전기분해 고정 전류 밀도를 사이클링함으로써, 간단한 CO₂ 전기분해로부터 유래된 바와 같은 새로운 생성물이다. 나노-어니언 탄소 생성물은 보다 값비싼 CVD 침착을 통해 합성된 경우 가치가 있으며 톤당 백만 달러(US) 이상 가치가 있다.
도 4b는 아연 코팅된 강철을 캐소드로서 사용하거나, ZnO를 전해질에 가하고, Ir이 애노드로서 사용된 경우, 전류 사이클링없이 수득된, 나노-어니언 탄소 생성물을 포함하는 탄소 나노튜브의 제1 SEM 영상(440)을 나타낸다. SEM 영상 (442)는 혼합된 Li/Mg 카보네이트 전해질로 형성된(탄소 나노튜브와 함께) 중공 탄소 나노-구체 생성물을 나타낸다. SEM 영상(444)은 얇은 벽의 탄소 나노튜브 생성물이 혼합된 Li/Ca 카보네이트 전해질로 두드러지게 특징화됨을 나타낸다.
SEM 영상(440)은 교류 인가된 전류라기보다는, 직류를 인가함으로써 생산된 보다 큰 탄소 나노-어니언 생생물을 나타낸다. 그 대신에 Zn 코팅된(아연도금된) 강철 캐소드 및 IR 애노드를 전기분해 동안 사용한다. Zn의 420℃ 융점은 이러한 보다 큰 관찰된 탄소 나노-어니언 생성물을 촉진시킨다. 그러나, 낮은 전류 예비-전기분해 단계를 가하여 캐소드 상에서 전이 금속 핵화 점의 형성을 개시하는 경우, 균일한 탄소 나노튜브 생성물이 두드러지게 특징화된다(나타내지 않음). 이러한 예비-전기분해 저 전류 단계를 사용하여, 순수한 Li₂C0₃ 전해질을 5% LiBO₂, 11.4% MgC0₃, 0.6% ZnO 및 83 wt% Li₂C0₃로 교체하는 것은 SEM 영상(442)내 세척된 생성물에서 나타낸 바와 같이 큰 비율의 중공 탄소 구체(탄소 나노튜브와 함께)를 형성한다. SEM 영상(442)에서 생성물은 MgO 침전물을 포함한다(이는 Li₂0와는 달리, MgO가 Li₂C0₃ 속에서 매우 불용성임을 시사한다). MgC0₃ 보다는, CaC0₃와의 유사한 전해질 혼합물은 영상(444)에 나타낸 바와 같이 주로 얇은 벽의 탄소 나노튜브 생성물를 생성한다.
도 4c는 산화아연을 770℃ Li₂C0₃ 전해질에 가하는 경우 사이클링없이 수득된 생성물인, 탄소 나노튜브보다는, 나노-어니언 탄소의 SEM 영상 (460), (462) 및 (464)를 나타낸다. SEM 영상 (460), (462) 및 (464)는 연장된 전기분해 동안 구리 캐소드 상에서 CO₂로부터 형성된 탄소 탄소-어니언 생성물을 나타낸다. SEM 영상 (460), (462) 및 (464)에서의 전기분해 생성물은 Cu 캐소드 및 Ni 애노드 및 0.2 A cm^-2의 보다 높은 전류 밀도와 함께, 770℃ Li₂C0₃ 전해질에 첨가된 산화아연과 함께 생산된다. 1.2 V의 관찰된 평균 전기분해 전위은 연장된 전기분해(20A, 3.9 Ah cm^-2의 총 전하에서 19.5 시간)시 균일하고, 보다 큰(0.5 내지 1 μm) 탄소 나노-어니언 생성물을 생성한다. 이러한 전기합성은 100 cm²의 평면 전극을 사용하여 수행하였다. 보다 작은 탄소 나노-어니언(나타내지 않음)은 보다 짧은 전기분해 전하 시간 동안 형성된다.
도 5는 전기합성 동안 770℃ Li₂C0₃ 전해질 내 첨가제로서 9 wt%로 형성된 붕소 도핑된 탄소 나노튜브 생성물의 2개의 SEM 영상 (500) 및 (502)를 나타낸다. 770℃에서 5 g의 LiBO₂ 및 50 g의 Li₂C0₃ 중 5 cm² 캐소드에서의 1 Ah 전기분해에 의해 형성된 붕소 도핑된 탄소 나노튜브의 특성은 SEM 영상 (500) 및 (502)에 나타낸다. 영상 (500) 및 (502)에서의 생성물은 스펙트럼 그래프(510)에 나타낸 라만 스펙트럼 이동(Raman spectral shift)에서 증가하는 LiBO₂ 농도 및 그래프(512)에 나타낸 바와 같이 탄소 생성물의 증가하는 전기 전도성의 효과를 나타낸다. 그래프(512)는 Li₂CO₃ 전해질 속에 용해된 LiBO₂의 증가하는 농도로 성장된 탄소 나노튜브의 전기 전도성을 나타낸다. 스펙트럼 그래프(510)는 B-도핑된 탄소 나노튜브의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 그래프(512)는 전기합성 동안 LiBO₂ 첨가의 하단(검정색)으로부터 상단(회색)으로까지의 스펙트럼이 50 g의 Li₂CO₃ 중 1.5g, 3g, 5g 및 8g임을 나타낸다.
순수한 B₂O₃는 융점이 450℃이고 백색이지만 완전히 용융되고 용융물은 유리 부도체(glass insulator)이다. 그러나, 용융된 B₂O₃가 용해된 Li₂O(mp 1438℃, 백색, 완전히 용융됨)를 함유하는 경우, 이는 전기화학적 전도성 액체가 된다. B₂O₃ 및 Li₂O의 이원 시스템은 767℃ 이상의 광범위한 균질한 액체 상을 지닌 복합적 상 다이어그램을 나타낸다. 여기서, 산화붕소, 산화리튬, 메타붕산리튬, LiBO₂(mp 849℃, 백색)의 복합된 염은 Li₂CO₃(완전히 용해된다)에 고 가용성이며, 고 전기화학적 전도성을 보유하고, 붕소-도핑된 고 전도성 탄소 나노튜브의 단일-포트 합성을 위한 성공적인 첨가제이다.
CO₂를 도핑된 탄소 나노튜브로 전환하는 카보네이트의 전기분해의 방법론은 간단하며 어떠한 이론에 얽메이지 않고, 1 단계에서 예를 들면, 산소 및 용해된 산화리튬의 생성과 동시에 발생하는 전기분해 탄산리튬에 의해, 합성 동안 목적한 도판트의 첨가를 포함한다:
Li₂C0₃(액체) + 도판트(dopant) → C(CNT_도핑됨) + Li₂0(용해됨) + 0₂(가스) (1)
전기분해에 의해 소비된 Li₂CO₃는 전기분해 반응(1)에서 생성물로서 형성된 이러한 과량의 Li₂O와, 공기로부터의 CO₂(또는 스택 방출(stack emission)로부터 더 높은 농도에서 이용가능한 CO₂)의 반응에 의해 연속적으로 보충된다:
Li₂O(용해됨)+C0₂(가스)→Li₂C0₃(액체) (2)
전체 반응(반응 (1) 및 (2)의 조합)은 다음과 같다:
C0₂(가스) + 도판트 → C(CNT_도핑됨) + 0₂(가스) (3)
세척된, 붕소 도핑된 생성물은 영상 (500) 및 (502)에 나타낸다. 첨가된 LiBO₂(> 10 질량%)에서, 탄소 나노튜브 생성물 속의 균일하지 않은 불순물의 수준은 증가한다(나타내지 않음). 구체적으로, < 10 질량%의 LiBO₂ 및 50g의 Li₂CO₃ 전해질을 사용하여, 매우 양호한 품질의, 직쇄 탄소 나노튜브를 각각 1.5 g, 3 g, 또는 5 g의 LiBO₂의 시스템에서 형성시킨다. 그러나, SEM 영상 (500) 및 (502)로부터 평가된 바와 같은 생성물 속에는 여전히 ~10% 무정형 탄소 나노입자가 존재하였다. LiBO₂의 5 g 첨가로, 탄소 나노튜브(200 내지 500 nm)의 직경 분포는 LiBO₂가 첨가되지 않는 경우 관찰된 것보다 약간 더 크다. 8 g의 LiBO₂(> 10%)가 첨가된 경우, 탄소 나노튜브의 직경은 150 nm 내지 1.5 μm의 범위에서 매우 광범위하게 분포되며, 이는 더 많은 LiBO₂가 이질성을 유도하였음을 나타낸다. 고 수준의 LiBO₂는 캐소드에서 환원의 거대-환경을 변경시킬 수 있고/있거나, 일부 니켈 핵 위로 붕소의 침착은 순수한 Ni 대신 NiB를 형성하여 나노구조가 보다 적은 보다 이질성인 성장 패턴을 생성할 수 있다. Li₂CO₃ 전해질에 17 wt% 첨가된 LiBO₂에서, 나노튜브 이외의 입자는 우세한 생성물이 되었다.
수득된 탄소 나노튜브가 붕소-도핑된 탄소 나노튜브, 또는 붕소 및 순수한 탄소 나노튜브의 혼합물인지의 여부를 확인하기 위해, 라만 스펙트럼을 532 nm의 입사 레이저를 사용하여 기록하였으며 도 5에서 그래프(510)로 나타내었다. 순수한 탄산리튬 전해질로부터 생산된 통상의(붕소 없는) 전기합성된 탄소 나노튜브에서, E_2g 대칭의 평면 모드(in-plane mode)의 흑연과 관련된, G 밴드가 1575 cm^-1에서 관찰된다. 그러나, LiBO₂가 첨가된 샘플의 경우, G 밴드는 보다 높은 파수로 이동한다. 상부이동(upshift)은 홀 캐리어(hole carrier)가 붕소를 탄소 나노튜브로 이전하였음을 나타낸다. 전하 이동은 힘의 상수를 증가시키는 C-C 결합을 단축시키므로 탄소 나노튜브의 격자 주파수를 향상시킨다. 다시 말해서, G 밴드의 보다 큰 주파수로의 이동은 증가되는 붕소 농도를 지닌 흑연 구조의 변형에 의해 유발되는 것으로 고려된다. 영상 (500) 및 (502)에서 알 수 있는 바와 같이, 1.5g, 3g, 5g 또는 8g의 LiBO₂가 전기합성 전에 전해질에 첨가된 경우, 합성 후 생성물의 G 밴드는 각각 1583, 1587, 1589, 1600 cm^-1로 이동한다. 이시이(Ishii) 등의 연구에서 G-밴드 이동과 붕소-도핑 수준 사이의 선형 관계에 따라서 붕소 함량은 ~0.7 at% 내지 ~2 at%로 추정된다. 더욱이, 무질서한 탄소 및 무정형 탄소와 관련된 D-밴드와, 흑연 G-밴드 사이의 강도의 비인 D 대 G 비는 첨가된 LiBO₂의 증가와 함께 증가한다. 이는 증가하는 수의 결함이 B-도핑 수준의 증가로 생성되었음을 나타낸다. B-도핑은 B_xC_y 도메인, 예컨대, 낮은 도핑 수준³⁴에서 BC₃, 또는 높은 도핑 수준에서 B₄C, B₁₃C₂ 도메인을 생성하므로 탄소 나노튜브의 결함을 증가시키는 것으로 관찰되었다. 스펙트럼에서 이러한 특징 각각은 수득되는 샘플이 붕소 원소 및 순수한 탄소 나노튜브의 혼합물보다는 붕소-도핑된 탄소 나노튜브임을 나타낸다. B-탄소 나노튜브내 붕소-함량은 전해질에서 B/C 비와 실질적으로 상이함이 주목되어야 한다. 예를 들면, 50g의 Li₂CO₃에 첨가된 8g의 LiBO₂는 전해질 속의 %에서 B/C= 31 at%이지만, 탄소 나노튜브 샘플 생성물 속에서 수득된 ~2%의 붕소가 생성된다. 전해질 속의 과량의 LiBO₂는 (이하에 나타낼 개선된 전도성 외에) 유해하다는 징후는 없으며 전해질에 첨가된 붕소의 퍼센트와 생성물 속의 붕소 퍼센트 사이의 이러한 큰 차이는 메타붕소산리튬의 붕소-원소로의 환원의 전압과 관련된 것으로 여겨지며, 이는 개개 종의 엔트로피 및 엔탈피로부터 반응(4)의 열역학적 계산에 따라 770℃(1043K)에서 -2.015V이다. 이는 카보네이트의 탄소로의 환원보다 더 크며, 이는 < 1.6V이고, 캐소드에서 동시 침착 동안(동력학에 따라서) 캐소드에서 붕소보다는 탄소의 형성을 선호하는 경향이 있을 것이다:
2LiB0₂ → 2B + Li₂0 + 3/20₂ (4)
붕소-도핑은 금속성 탄소 나노튜브의 생성 및 (CVD 합성된) 탄소 나노튜브의 전도성을 향상시키기 위한 것으로 알려져 있다. 전도성에 대한 용융된 카보네이트 합성된 탄소 나노튜브에서의 붕소 도판트 효과를 시험하기 위하여, 샘플을 증가하는 수준의 붕소 도판트를 사용하여 측정하고 도 5에서 영상 (500) 및 (502)에 나타낸 생성물과 비교한다. 비교시, 무정형 탄소 나노입자, 직쇄 탄소 나노튜브, 및 Li₂CO₃ 용융물로부터 전기합성된 얽혀진 탄소 나노튜브가 또한 측정되었다. 9 wt% LiBO₂ 전해질 합성된 탄소 나노튜브는 직쇄 탄소 나노튜브(순수한 Li₂CO₃에서 형성됨)보다 높은 1차수 크기의 전도성을 나타내며, 무정형 탄소 나노입자 또는 전기합성된 얽혀진 탄소 나노튜브(첨가된 산화물, 예컨대, Li₂CO₃ 전해질 중 4m Li₂O(10.7 wt%)는 결함을 가하고 얽혀진 탄소 나노튜브를 생성한다)보다 30배(fold) 더 높은 전도성을 나타낸다. 첨가된 B-도판트를 지닌 샘플 중에서, 전도성은 합성 전해질에 1.5g의 LiBO₂의 첨가로부터 5g LiBO₂의 경우 최대까지 먼저 상승하였으며 이후 보다 높은 농도의 첨가된 LiBO₂에서 감소하였다. 붕소 도핑은 전도성을 향상하였지만 과량의 첨가된 붕소(전해질 중 > 10 wt% LiBO₂)는 품질(보다 적은 탄소 나노튜브, 보다 많은 나노입자)을 감소시켰다. 따라서, 증가된 LiBO₂ 첨가로 최대 전도성이 관찰된다.
가용성의 리튬화된(lithiated) 도판트의 용융된 카보네이트 전해질에 대한 첨가를 통한 이산화탄소로부터 붕소 도핑된 탄소 나노튜브의 1-포트 전기합성에 대한 성공적이고 직접적인 경로는 다른 도핑된 탄소 나노튜브, 예컨대, 질소, 인 또는 황 도핑된 나노튜브의 합성을 위한 유사한 경로 및 기회를 시사한다. 상이한 농도에서 탄소 나노물질내로 삽입된 상이한 도판트는 이들의 물리적 및 화학적 특성 둘 다를 변화시킨다.
붕소 및 질소는 탄소에 대해 크기(및 원자 번호)에 있어서 이들의 근접성으로 인하여 가장 잘 연구된 탄소 도판트이었다. 양이온으로서 리튬과의 일반적인 다원자성 음이온 메타인산염, 질산염, 및 황산염(LiPO₃, LiNO₃ 또는 Li₂SO₄)은 용융된 탄산리튬 속에서 가용성이다. 메타붕산리튬으로부터의 도판트로서 기본적인 붕소를 형성하는데 필요한 3e^- 환원과 비교하여, LiBO₂, LiPO₃ 및 LiNO₃는 각각 원소 인 또는 질소를 형성하기 위해 5e^- 환원을 필요로 하며, Li₂SO₄는 황을 형성하기 위해 6e^- 환원을 필요로 한다. 붕소, 인 및 질소가 탄소보다 덜 전자음성이지만, 황은 보다 더 전자음성이다. 따라서, 개략적인 예측으로서(전기음성도를 기반으로 하며 경쟁적인 역학적 현상을 예측하려는 시도없이) 탄소는 전기분해에 의해 붕소, 인 또는 질소보다는 산화물로부터 형성되기 쉬울 수 있으며, 후자의 산화물이 탄소 나노튜브 전기합성 동안에 원소 도판트로의 동시 환원을 위한 우수한 후보물이 되도록 하는 반면, 황은 탄소 나노튜브에 대한 열역학적으로 바람직한 환원 생성물일 수 있으며, 이는 전해질을 함유하는 황화물 속에서 탄소 나노튜브 형성을 억제할 수 있다.
도 6은 탄소 나노튜브 속의 황 또는 인의 각각의 공급원으로서 용해된 Li₂SO₄ 또는 LiPO₃를 함유하는 Li₂CO₃의 전기분해에 의해 형성된 황 및 질소 도핑된 탄소 나노튜브 생성물의 SEM 영상 (600) 및 (602)를 나타낸다. SEM 영상(600)은 0.03 A cm^-2의 낮은 전류 밀도; 합성 동안 이러한 합성에 첨가된 통상의 (Ni 200) 애노드 및 첨가되지 않은 Ni 분말에서 중간 0.8 Ah cm^-2 전하로 생성된 P-헤테로원자 길이의(300-600 μm) 생성물을 나타낸다. LiPO₃의 사용은 탄산리튬 전해질 속의 염 용해를 촉진한다. 탄소 나노튜브를 함유하는 인의 개선된 길이 및 수율을 가져오는 변화는 1% 내지 5 mol% 증가의 LiPO₃, 및 아연도금된 강철보다는, 모넬, 캐소드의 사용을 포함한다. 탄소 나노튜브 생성물의 전자 분산형 분광학(Electron dispersive spectroscopy: EDS)은 탄소 나노튜브 생성물 중 0.3 mole%이 인으로 측정되었다. 이는 인의 전기분해 농도보다 실질적으로 더 낮으며, P-헤테로원자는 탄소 나노튜브에 불량한 격자 매치를 제공할 수 있다.
SEM 영상(602)은 1A에서 2시간 전기분해(통상의 아연 도금된 강철 캐소드 및 Ni 200 와이어 애노드를 사용하고 Ni 금속 분말은 첨가되지 않음) 후 0.1 mole% 황산염을 사용하여 용융된 카보네이트 전기분해로부터의 황을 함유하는 탄소 나노튜브를 나타낸다. 탄소 나노튜브 생성물의 전자 분산형 분광학은 탄소 나노튜브 생성물 속의 0.1 mole%의 황을 측정하였다. 앞서의 실험에서와 같이, 이러한 보다 높은 전류 연장된 전기분해 전에, 캐소드 핵화는 순차적으로 인가되고(각각 10분 동안) 0.05, 0.10, 0.25로부터 0.5 A로 증가하는 보다 낮은 정전류의 인가로 촉진되었다. 초기의 10분 최저 전류 전기분해는 0.4 내지 0.5 V의 전위에서 발생하였으며, 이는 캐소드 상의 Ni에 의한 예측된 핵화와 일치하지만, 후속적으로 증가하는 정전류 각각은 1 내지 2 V 사이의 증가하는 전위에서 발생하였다. 770℃ Li₂CO₃에서 보다 높은 황산염 농도, 예컨대, 1 mol%(또는 3, 또는 5 mol%)의 Li₂SO₄를 사용한 전기분해 동안 캐소드에서 형성되는 것으로 관찰된 탄소 생성물(탄소 나노튜브 또는 기타)는 없었다. 1 A에서 관찰된 전위는 보다 높은 [Li₂SO₄]를 사용하여 더 낮다(및 Li₂SO₄의 부재하에서 관찰된 1 내지 2 볼트 전기분해 전위보다 더 낮다). 보다 높은 황산염 농도에서 탄소 나노튜브 형성의 이러한 결여는 탄소와 비교하여 황의 전기음성도와 일치하며, 이는 후자와 비교하여 전자의 열역학적 형성을 선호한다. 탄소 형성의 에너지론을 개선시키기 위하여, 황산염의 농도를 감소시켜서(카보네이트에 비하여) 탄소 나노튜브를 함유하는 황의 관찰된 형성에 대한 경로를 생성한다.
탄소 나노튜브 생성물은 770℃ Li₂CO₃ 전해질에서 LiNO₃의 전기분해로부터 관찰된다. 이러한 경우에, 탄소 나노튜브의 수율은 전해질내 LiNO₃의 분포, 1 mol%와 비교하여 5 mole%로 개선된다. 아마도, 첨가되어, 용해된 질산리튬은 용융된 전해질 속의 아질화리튬으로 평형화된다. 이는 500℃ 초과에서 발생하는 고체 LiNO₃에 대한 공지된 고체 상태 열 분해와 유사하다:
LiNO₃ → LiNO₂ + 1/2O₂ (5)
전기분해 후, 전자 분산형 분광학 분석은 탄소 나노튜브 생성물 속의 질소를 나타낸다.
도판트는 도판트를 함유하는 산화물의 전해질 내로의 용해에 의해 합성 동안 도입되는 것으로 입증되어 왔다. 순수한 원소 또는 다른 염을 또한 사용하여 도판트 첨가제를 도입할 수 있음은 명백하다. 이러한 첨가제의 예는, 조도(illumination)에 의해서 및 이러한 실시예에 의해 제한되지 않고, 황, 붕소, 티오닐 클로라이드, 염화황, 염화규소, 염화붕소, 또는 보로클로레이트, 티오닐 니트레이트, 질산규소 및 아질산염(silicon nitrates and nitrites), 보로니트라이드, 및 보로니트레이트를 포함한다.
예는 도판트가 전해질 속의 고체 또는 액체의 용해에 의해서라기 보다는, 가스 상을 통해 전해질로 투입될 수 있음을 입증한다. 용융된 카보네이트 이산화탄소 전기분해 분열은 0.04%(대기의), 또는 5 내지 13%(천연 가스 또는 석탄 발전소 연도 가스에서와 같이), 또는 33%(세멘트(cement) 연도 가스에서와 같이) 또는 100% C0₂ 농도를 함유하는 가스인, 냉 또는 불활성 가스를 사용하여 용이한(고 전류 밀도) 및 저 에너지(저 전기분해 전위)로 발생한다. 여기서, 가스는 혼합되어 평균 SO₂ 및 NOX 농도를 함유하는 석탄 발전소 연도 가스를 모의한다. 공기에 대한 정확한 비의 NOX, 및 SO₂ 및 CO₂는 카보네이트 전해조에 도입되기 전해 배관 팬 투입구를 통해 연속적으로 첨가된다. CO₂ 유동 속도는 교정된 오메가 질량 유동 제어기(calibrated Omega mass flow controller MA5400/500 질량 유동 제어기에 의해 76 리터/분(탄소 나노물질로 CO₂의 매일 200 kg 변환을 위해)에서 측정되며, 이는 131 리터/분 유동 이하이다. NOX는 구리 금속과 아질산의 반응에 의해 실험실에서 생성되며; 속도는 산 강도 및 구리의 상대적인 두께에 의해 제어된다. 보다 많은 NO는 보다 낮은 질산 농도(4 molar NO)에서 생산되는 반면, 순수한 갈색 NO₂는 농축된 질산에서 형성된다. 4몰의 아질산은 Cu²⁺가 용액에 도입되므로 무색으로부터 청색으로 변한다. 유사하게, SO₂는 황 분말과 황산의 직접적인 반응으로 생산된다. 불활성 가스 공기 유동 속도는 인-라인 디지-센스 핫 와이어(in-line Digi-Sense Hot Wire), NIST 추적가능한 눈금을 지닌 열풍속계로 모니터한다. NOx 및 SO₂는 낮은(ppm) 수준의 NOx에서 전해조내로 버블링되며 SO₂는 관찰된 탄소 나노튜브 물리화학적 특성 또는 형성에 영향을 미치지 않았다.

실시예는 카보네이트 전해질이 최고 속도의 용융된 카보네이트 전기분해를 유지하기에 충분한 속도로 이산화탄소를 흡수할 수 있으며 충분한 절연으로, 용융된 카보네이트 전기합성이 자가 가열되고/되거나 유용하게 과도한 열을 생성할 수 있음을 입증한다. 도 7a는 가스 상으로부터 용융된 탄산리튬 및 용융된 탄산리튬 혼합물로의 이산화탄소 흡수의 엄청나게 신속한 속도가 실험적으로 측정되어 문서화됨을 입증하는 데이타 표(700)를 나타낸다. 연구된 최저 이산화탄소 농도(통상의 공기를 사용하여 0.04% CO₂)로도 0.1 A/cm²의 정전류 밀도에서 수행된 전기분해 동안 개방 공기 시스템 속에서 모든 용융된 탄산리튬을 유지하고 재생하기에 충분하다. 전기분해 동안에, 산화리튬은 캐소드에서 동시-생성되며, 이는 이산화탄소와 반응하여 전해질을 연속적으로 재생시킨다. 도 7b는 표(700)에서 데이타로부터 이산화탄소 흡수율의 그래프(710)를 나타낸다. 도 7a에서 데이타 표(700)에 입증된 바와 같이,심지어 소량(50 g)의 용융된 탄산리튬으로 버블링된 이산화탄소 가스 흡수율은 유동 속도가 분당 0.3 리터의 CO₂를 매우 초과할 때까지, 및 예측한 바와 같이(나타내지 않음) 첨가된 염화리튬 농도(신속한 전기분해 속도에 의해 생성됨)로 추가로 증가할 때까지 제한되지 않는다. 수직 축 상에 누적 흡수된 CO₂는 탄산리튬 전해질과 평형하여 존재하는 천연의 산화리튬 농도로 인하여 100% 아래로만 제한된다. 1amp/cm²의 본원에서 실험된 전기분해의 가장 신속한 속도 동안에, C0₂를 함유하는 가스는 전해질내로 버블링되어야 하며, 달리 전해질은 소비될 수 있고 전해질의 수준은 전해질의 고정 질량의 버블링이 전기분해 동안 유지되는 환경 하에서 가시적으로 떨어진다.

도 7c는 열이 적절히 절연된 용융된 전기분해 체임버에서 크게 유지됨음 입증하는 그래프(720)이다. 개선된 열 보유는 24x9x4의 내화벽돌(BNZ에서 구입)을 따라 9x4.4x2.4 인치의 내화벽돌을 사용한 가마 구조물(kiln built) 속에서 증가하는 수준의 절연으로 관찰되며, 시판되는 파라곤 칼데라 가마(Paragon Caldera kiln)로부터의 가열 요소 및 제어 회로, 및 통상의 열 방사 차폐물(shield)은 0.034" 두께의 미러 피니쉬(mirror finish)(304) 스테인레스 강철(onlinemetals.com으로부터 구입)로부터 중간 가마 케이스로서 첨가되도록 절단되었다. 1 인치 두께의, 고도로 절연되는, 견고한 세라믹 절연을 고온 내성, 매우 낮은 열 유동 속도(800℃에서 K=0.28, Mcmaster.com으로부터 구입, 생성물 번호 6841K5 초 고온 세라믹 절연) 열 보호 장벽으로 모든 면위의 장벽으로서 포함시켰으며, 회색 용광로 모르타르 외에도, 구성 가마 커버에서 외부 백색 엣지(edge)로서 가시적이다. 카보네이트 전기분해 체임버의 첨가 전에, 가마에 대한 열 절연의 제4 층(내화벽돌 외에도, 방사성 장벽 및 세라믹 절연)(황록색의 광물 전열체로서 첨가되고 65-C 광물 울 절연 시이트(Mineral Wool Insulation Sheets)에 대한 Mcmaster.com으로부터 생성물 번호 9328K43 2" 두께의 Very-High Temperature로 시판됨), 및 최종적으로 pink R-30 Home Depot 절연의 외부 코팅을 최종 절연기로서 및 하기 사진에서 알 수 있는 바와 같은 열 손실에 대한 장벽으로서(전기분해 체임버에 재투입 전) 가하였다. 이후에, 최종적으로 가해진 R-30 외부 절연(Home Depot로부터 통상의 하우스 절연으로서 구입됨)을 가마의 최종 외부 층으로서의 후속적인 첨가 전에 가하였다.

도 7d는 용융된 카보네이트 전기합성이 자체 가열됨을 입증하는 그래프(730)이다. 주요 돌파구는 중요한 열 균형에 도달하였으며 여기서 용융된 카보네이트 공정은 이의 고온 용융된 염 공정임에도 불구하고 외부 가열을 필요로 하지 않는다. 카보네이트 전기분해 체임버를 지닌 주문제작한 가마를 725℃(탄산리튬 전해질의 융점보다 더 높음)로 상승시킨 후, 모든 가마 가열 전원을 끄고 가마에서 플러그를 뽑았다. 0.1 cm^-2의 고정 전기분해에서, 탄소 나노튜브 공정에 대한 이산화탄소는 727℃의 고정 온도를 독립적으로 유지하였다. 전해질을 일정하게 재생시키는(및 CO₂를 흡수하는) CO₂ 및 Li₂0 반응의 예측된 발열성 특성에 따라서, CO₂ 가스(가열되지 않음, 순수함)가 CO₂가 전기분해에 의해 소비되는 속도와 비교가능한 매우 정밀한 속도로 버블링되는 경우 이러한 온도는 737℃로 증가하는 것으로 관찰된다. 이러한 온도는 전류 밀도 및 (비례하는 CO₂ 유량)이 0.5 A cm^-2로 증가하는 경우 787℃로 증가하였으며 전류 밀도가 0.3 A cm^-2로 감소하는 경우 750℃로 강하하였다. 도 7c에서 그래프(720)는 0.3 A cm^-2의 지속적인 고정 전기분해 전류 밀도에서의 성능을 나타내며, 750℃의 이러한 고정 온도가 전기분해의 기간 전체 동안 유지됨을 알 수 있다. 실험 중간에서 이상점 측정(outlier measurement)은 불량한 열전쌍 연결로 인하여 그래프(720)에 포함되지 않았으며, 이는 교정되었다.

도핑된 탄소 나노튜브의 1 단계 용융된 카보네이트 전기합성은 붕소, 질소, 황 및 인 도핑된 탄소 나노물질에 대해 입증되었다. 유사한 방식의 다중 도판트 공급원 물질 및 유형은 다중 도판트를 사용한 탄소 나노튜브의 전기합성을 이끌어야 하며, 전기합성에 대한 광범위한 단순한 첨가제에 적용된 바와 같은 이러한 단순한 합성 접근법은 예를 들면 다음 중 하나 이상을 함유하고 이로 도핑된, 도핑된 탄소 나노물질의 보다 광범위한 포트폴리오를 열 것이다: 붕소, 규소, 게르마늄, 질소, 인, 비소, 안티몬, 황, 셀레늄, 텔루륨, 금, 알칼리 또는 알칼리 토, 니켈; 구리; 크롬; 철; 망간; 티탄; 아연, 지르코늄; 몰리브덴; 탄탈; 백금; 이리듐; 코발트; 규소; 및 (C12 이외의) 동위원소성 탄소.

탄소 나노물질과 함께 침착될 물질이 카보네이트로부터의 탄소를 침착시키는데 필요한 것보다 더 높은 전기분해 전위를 필요로 하는 경우, 2 단계 용융된 카보네이트 합성은 물질을 성공적으로 침착시킬 수 있다. 예로서, 규소는 니켈 분말 및 Li₄Si0₄를 함유하는 Li₂CO₃ 전해질 내에서 전기분해 동안 1 단계 770℃ 전기합성에서 침착된 생성물에서 발견되지 않았다. 2 단계 전기합성 공정은 목적한 물질의 성공적인 침착을 야기한다. 1 단계는 0.42g의 니켈 분말 및 52 g의 Li₂CO₃(및 Li₄Si0₄는 부재)를 지닌 전해질에서 전기 분해를 수행한다. 이후 전극은 18.4 g의 Li₄Si0₄ 및 40.2 g의 Li₂CO₃(니켈 분말은 부재)로 이루어진 제2 전해질에서 제2 단계에서 전기분해를 지속하기 위해 이동한다. 관찰된 전기분해 전위는 제1 단계의 경우 1.4V이고 제2 단계의 경우 2.3 V에서 더 높다. 수득되는 세척된 생성물은 SEM 영상에 의해 관찰되는 바와 같은 탄소 나노튜브를 나타낸다. 수득되는 나노튜브에서, Si 기반 탄소가 전자 분산성 분광학 및 측정된 라만 스펙트럼에서 발생하는 480 cm^-1에서 새로운 Si 피크의 형성 둘 다에 의해 증거로서 관찰되었다.

어떠한 이론 또는 경로에 얽메이지 않고, 도 8은 핵화된 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노-어니언, 그래핀, 또는 중공 탄소 나노-구체를 형성하기 위한 용융된 카보네이트(800)의 단일 단계 전기분해의 공지되고 새로운 상승 경로의 개략도이며, 이들 모두는 도핑되거나 도핑되지 않고 형성될 수 있다. 도 8은 공지된 합성 순서 경로 (810) 및 (820)을 나타낸다.

도 8에서, 경로(820)는 핵화제를 사용하지 않으며 나노-어니언, 그래핀, 또는 중공 탄소 나노-구체를 형성하기에 용이한 경로를 제공한다. 경로(821)에서, ZnO 또는 MgO는 카보네이트 전해질에 첨가되며 각각 탄소 나노-어니언, 그래핀, 또는 중공 탄소 나노-구체의 형성을 유도한다. 경로(823)에서, 애노드와 캐소드 사이에 인가된 직류 보다는 교류의, 전기분해 전류는 그래핀 또는(전해질 속의 ZnO 또는 캐소드 상의 Zn 코발트 사용) 탄소 나노-어니언을 형성한다. 경로(825)에서, K₂CO₃는 캐소드에서 그래핀 플레이틀렛 형성을 유도한다.

도 8에서, 경로(810)는 핵화제를 사용하여 탄소 나노튜브 및 탄소 나노섬유를 형성하기 위한 용이한 경로를 제공한다. 핵화제는 특수 전이 금속, 또는 이의 조합물이며, 전해질내로 용해되어, 애노드로부터 방출되거나, 캐소드 속에 함유되어 탄소 나노튜브 또는 캐소드로부터 탄소 나노섬유 성장을 위한 핵화 부위를 형성한다. 경로(811)에서 특수한 핵화제, 예컨대, Cu는 짧은 탄소 나노튜브 성장을 유도한다. 경로(815)에서, 특정 핵화제, 예컨대, Ni & Cr은 긴 탄소 나노튜브 성장을 유도한다. 경로(813)에서, 카보네이트 전해질에 대한 증가된 가용성 산화물 수준의 첨가는 고 수준의 측정된 sp3 결함을 유발하여 스트레이트 탄소 나노튜브보다는, 관찰된 얽혀진 탄소 나노튜브를 초래한다. 경로(812)에서, 카보네이트 전해질에서 산화물 용해도를 감소시키는 얇은 벽 제제, 예컨대, CaC0₃의 첨가는 얇은 벽의 탄소 나노튜브의 형성을 유발한다. 천연적으로 풍부한 ¹²C가 ¹³C로 교체되는 경우, 경로(814)는, 탄소 나노튜브 코어, 얇은 벽의, 얇은 코어화된 탄소 나노튜브 또는 충진된 탄소 나노섬유의 충전 또는 폐쇄를 유도한다.

도 8은 또한 순서(830)에서 도판트의 배제 또는 순서(840)에서 도판트 공급원의 용융된 카보네이트 전기분해물로의 첨가를 특징으로 하는 합성 순서 (830) 및 (840)을 나타낸다. 이는 경로 (811) 내지 (815) 및 (821) 내지 (825)의 내재성(도핑되지 않거나) 또는 도핑된 대안을 초래한다. 도핑되거나 도핑되지 않는 탄소 나노튜브 형태의 포트폴리오를 포함하는 탄소 나노물질 생성물은 경로 (811) 내지 (815)로부터 생성되며 도핑된 탄소 나노-어니언, 그래핀, 또는 중공 탄소 나노구체는 경로 (821) 내지 (835)로부터 생성된다.

도 8에서, 경로(830)는 용융된 카보네이트 전기분해물에 대한 도판트 공급원의 배제가 캐소드에서 형성된 내재성(도핑되지 않은) 또는 탄소 나노물질의 생성을 초래함을 나타낸다.

도 8에서, 경로(840)는 캐소드에서 형성된 도핑된(예컨대, 붕소, 황, 질소 또는 인 도핑된) 탄소 나노물질의 생성을 초래하는 용융된 카보네이트 전기분해에 대한 도판트 공급원의 이용가능성을 나타낸다. 도 8에서, 목적한 도판트 공급원은 경로(840)에서 용융된 탄소 전기분해에서의 다양한 개개 또는 조합된 공급원으로서 이용하능하도록 제조된다. 공급원은 염, 고체내 도판트를 함유하는 공유결합성 또는 원소 화합물, 전해질에 대해 직접적인 액체 또는 가스형, 애노드 또는 캐소드 전극에 함유된 물질을 사용한 도판트의 부가 또는 첨가를 포함한다.

이는 다수의 핵화제 요소, 예를 들면 특정 유형 및 농도의 전이 금속(들)의 첨가, 산화물의 첨가 또는 배제의 상승적 조합이며, 동위 탄소의 첨가 또는 배제는 카보네이트 조성물과 함께, 전기분해, 전하, 시간, 및 상이한 형태의 탄소 나노튜브를 생산하는 온도를 생성한다.

대조적으로, 새로운 경로(840)는 용융된 카보네이트 전기분해 동안 도판트 원자를 지닌 공급원의 직접적인 첨가를 사용하여 특정의, 목적한, 상이한 화학적 물리적 특성을 지닌 고유한 것이라기 보다는, 도핑된, 탄소 나노물질을 형성하며, 전기분해는 처리 후로서 도핑을 유도할 필요없이 직접 수행된다.

또한 대조적으로, 경로(820)으로부터의 새로운 경로(들)은 핵화제의 직접적인 배제를 사용하여 용융된 카보네이트 전기분해 동안의 새로운(비 탄소 나노튜브) 탄소 나노물질 형태의 구체적인 형성을 지향한다. 새로운 경로 (821), (823) 및 (825), 및 이러한 경로의 상승적 조합은 탄소 나노-어니언, 그래핀, 또는 중공 탄소 나노-구체 캐소드 생성물을 형성한다.

용융된 카보네이트 전기분해 동안 도입된 도판트 원자는 전기분해 동안 캐소드에서 탄소 나노물질 빌딩내로 직접 혼입되어 특정의, 목적한, 상이한 화학적 물리적 특성을 지닌, 내재적인 것이라기보다는 도핑된 탄소 나노물질을 형성하며, 전기분해는 후 처리로서 도핑을 유도할 필요없이 직접 수행된다. 도핑된 및 다양한 형태(그러나 구체화된 경로를 사용하여 합성된 바와 같은 균일형)의 탄소 나노물질의 용이한 고 수율, 저 에너지, 합성은 상기 공정에 의해 달성될 수 있다. 이러한 탄소 나노물질은 고 전도성, 고 강도, 고 전기 저장, 고 블라스트 내성(blast resistance), 촉매 특이적인 기능성 및 오염물질 흡수제 능력을 갖는다. 용융된 카보네이트 전기분해 합성은 환경으로부터 대기 및/또는 인위적 이산화탄소 둘 다를 제거한다. 전기분해 구조 및 조건의 실질적인 효과는 탄소 형태, 도핑, 라만 분광법 및 SEM, 및 탄소 나노튜브 전도성 둘 다에서 입증된다. 아연도금된(아연 플레이팅)된 것과 동일한 활성화 효과는 아연 코팅없이 달성된다. 이는 광범위한 대안적인 코팅되지 않은 캐소드 전극을 연구하기 위한 경로를 연다. 이러한 도핑은 도판트 함유물의 첨가에 의해 직접 달성되며, 형태의 제어는 전기분해에 대한 핵화제의 배제를 포함하는 수개의 기술에 의해 달성된다.

탄소 나노물질은 고도로 전기 전도성이고, 원형, 고체 또는 중공, 평편하거나 얇거나 두꺼운 벽의, 또는 길거나 짧고, 다양한 화학적 물리적 특성을 지니도록 제조될 수 있다. 용융된 카보네이트 전기분해 생성물 탄소 물질을 합성하기에 저렴한 이러한 확장된 포트폴리오는 예를 들면, 금속내 다른 물질에 의한 유사한 적용 사용, 와이어, 케이블, 와이어들 또는 의복으로의 조합, 합사 또는 제직, 직물, 배터리, 촉매 광학 장치, 패키징 물질, 저-중량, 균열 및 블라스트-내성 구조 및 세라믹 물질, 및 전자제품에 적합하다.

본원에 사용된 전문용어는 특수한 구현예만을 기술하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에 사용된 바와 같은, 단수형("a," "an" 및 "the")은 내용이 달리 명확하게 나타내지 않는 한, 복수형을 또한 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 용어 "포함하는", "포함하다", "갖는", "갖다", "와 함께" 또는 이의 변형이 상세한 설명 및/또는 청구범위에서 사용된 정도까지, 이러한 용어는 용어 "포함하는"과 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다.

달리 정의하지 않는 한, 본원에 사용된 모든 용어(기술적 및 과학적 용어 포함)는 당해 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해된 바와 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용된 사전에 정의된 것과 같은 용어는 관련 분야의 맥락에서 이들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본원에 분명하게 정의되지 않는 한 이상적이거나 몹시 공식적인 의미로 해석되지는 않을 것이다.

본 발명의 다양한 구현예를 위에서 기술하였지만, 이것은 단지 예로서 나타내었으며, 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 개시된 구현예에 대한 다수의 변화는 본 발명의 취지 또는 영역으로부터 벗어나지 않고, 본원의 개시내용에 따라 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위 및 영역은 상기 기술된 구현예 중 어느 것에 의해 제한되지 않아야 한다. 오히려, 본 발명의 영역은 다음의 청구범위 및 이들의 등가물에 따라 정의되어야 한다.

본 발명을 하나 이상의 실행과 관련하여 나타내고 기술하였지만, 등가의 변경 및 변형은 본 명세서 및 첨부된 도면의 판독 및 이해로 당해 분야의 기술자에게 발생하거나 알려질 것이다. 또한, 본 발명의 특별한 특징은 수회의 실행 중 단지 하나와 관련하여 개시될 수 있지만, 이러한 특징은 임의의 제공되거나 특수한 적용에 대해 바람직하고 유리할 수 있는 바와 같이 다른 실행의 하나 이상의 다른 특징과 조합될 수 있다.

Claims (29)

1. 카보네이트 전해질을 가열하여 용융된 카보네이트 전해질을 수득하는 단계;
   셀(cell) 내의 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 용융된 카보네이트 전해질을 배치시키는 단계;
   탄소 나노물질 도핑 성분(doping component)을 셀 내에 포함시키는 단계;
   셀 내에 나노물질 선택 성분을 포함시키는 단계;
   셀 내의 캐소드 및 애노드에 전류를 인가하는 단계; 및
   셀의 캐소드로부터 도핑된 탄소 나노물질 성장을 수집하는 단계를 포함하는, 탄소 나노물질의 생산 방법.
2. 제1항에 있어서, 나노물질 성분이 전이 금속을 포함하지 않으며, 상기 당해 방법이 전해질에 교류 전기분해 전류의 인가를 추가로 포함하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 전기분해 전류가 탄소 나노-어니언(nano-onion) 생성물 성장으로부터 선택되는 방법.
4. 제2항에 있어서, ZnO을 전해질에 첨가하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 전기분해 전류가 그래핀 플레이틀렛 생성물 성장을 위해 선택되는 방법.
5. 제1항에 있어서, MgO를 전해질에 첨가하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 전기분해 전류가 중공 탄소 나노-구체(hollow carbon nano-sphere) 생성물 성장을 위해 선택되는 방법.
6. 제1항에 있어서, 나노물질 선택 성분이 전이 금속을 확산시키며, 여기서 나노물질 선택 성분이 탄소 나노튜브 생성물 성장을 위해 선택되는 방법.
7. 제1항에 있어서, 도핑 성분이 도핑 첨가제를 포함하지 않으며, 여기서 도핑 성분이 캐소드로부터 내재성(intrinsic) 나노물질 성장을 위해 선택되는 방법.
8. 제1항에 있어서, 도핑 성분이 고체 전해질 첨가제, 액체 전해질 첨가제, 가스 전해질 첨가제, 캐소드 물질, 또는 애노드 물질 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 도핑 성분이 고체 염, 원소, 또는 공유결합 화합물이며, 여기서 도핑 성분이 전해질 속에서 용해되거나, 반응하거나 현탁되는 방법.
10. 제1항에 있어서, 도핑 성분이 3족 원소를 지닌 적어도 하나의 물질을 함유하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 도핑 성분이 1족 원소를 지닌 적어도 하나의 물질, 또는 2족 원소를 지닌 적어도 하나의 물질, 또는 비-탄소 4족 원소를 지닌 적어도 하나의 물질 또는 5족 원소를 지닌 적어도 하나의 물질, 또는 6족 칼코게나이드 원소(chalcogenide element)를 지닌 적어도 하나의 물질, 또는 금, 백금, 이리듐, 철 또는 다른 4, 5, 또는 6열 금속을 지닌 적어도 하나의 물질을 포함하는 방법.
12. 제1항에 있어서, 도핑 성분이 산소 원자 또는 할라이드 원자를 지닌 종(species)을 함유하거나, 황산염, 질산염, 인산염, 티오인산염, 규산염, 붕산염, 티오닐 클로라이드, 염화황, 염화규소, 염화붕소, 또는 보로클로레이트, 티오포스페이트, 티오닐 니트레이트, 질화규소 및 아질산염, 보로니트라이드, 및 보로니트레이트 염, 또는 산화황 또는 아산화질소 가스 중 하나 이상을 포함하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 도핑 성분이 하나 이상의 도핑 원소를 포함하는 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 또는 애노드가 니켈; 구리; 크롬; 철; 망간; 티탄; 아연, 지르코늄; 몰리브덴; 탄탈; 백금; 이리듐; 코발트; 규소; 및 탄소 순수한 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질 또는 합금을 포함하는 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 도핑 성분이 캐소드 또는 애노드 상의 코팅을 포함하는 방법.
16. 제1항에 있어서, 탄소 나노물질이 탄소 나노튜브인 방법.
17. 제1항에 있어서, 탄소 나노물질이 그래핀인 방법.
18. 제1항에 있어서, 탄소 나노물질이 탄소 나노-어니언인 방법.
19. 제1항에 있어서, 탄소 나노물질이 중공 탄소 나노-구체인 방법.
20. 셀 내의 애노드와 캐소스 사이에 도핑 성분을 포함하는 카보네이트 전해질을 제공하는 단계;
    카보네이트 전해질을 용융된 상태로 가열하는 단계;
    애노드와 캐소드 사이에 배치된 카보네이트 전해질을 통해 애노드와 캐소드 사이에 전기적 전류를 인가하는 단계; 및
    셀의 캐소드로부터 탄소 나노물질 성장을 수집하는 단계를 포함하여, 도핑된 탄소 나노물질을 생산하는 방법.
21. 제20항에 있어서, 도핑 성분이 전해질 속에서 용해되거나, 반응하거나 현탁되는 방법.
22. 제20항에 있어서, 도핑 성분이 붕소, 규소, 게르마늄, 질소, 인, 비소, 안티몬, 황, 셀레늄, 텔루륨(tellurium), 금, 백금, 이리듐 또는 철 중의 하나를 함유하는 적어도 하나의 물질을 함유하는 방법.
23. 제20항에 있어서, 캐소드 또는 애노드가 니켈; 구리; 크롬; 철; 망간; 티탄; 아연, 지르코늄; 몰리브덴; 탄탈; 백금, 이리듐; 코발트; 규소; 및 탄소로 이루어진 그룹으로부터 선택된, 적어도 하나의 물질, 또는 합금을 포함하는 방법.
24. 제20항에 있어서, 탄소 나노물질 성장이 탄소 나노튜브, 그래핀, 탄소 나노-어니언 및 중공 탄소 나노-구체 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
25. 제20항에 있어서, 카보네이트가 알칼리 또는 알칼리 토 카보네이트 중 적어도 하나를 포함하거나 금속 산화물의 적어도 하나의 첨가제, 또는 리튬, 바륨, 칼슘, 망간 또는 산화아연 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
26. 제20항에 있어서, 나노물질이 길이가 100 μm 초과인 방법.
27. 제20항에 있어서, 나노물질이 길이가 1 내지 100 μm인 방법.
28. 제20항에 있어서, 나노물질이 길이가 1 μm 미만인 방법.
29. 전류 공급원;
    애노드와 캐소드 사이에 용융된 카보네이트 전해질을 유지하는 셀;
    셀 내의 탄소 나노물질 도핑 성분을 포함하는, 탄소 나노물질을 생산하기 위한 시스템으로서, 여기서 전류 공급원이 셀 내에서 캐소드와 애노드에 전류를 인가하도록 작동가능하여 셀의 캐소드로부터 도핑된 탄소 나노물질 성장을 생성하는 시스템.

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